3.1 任务的本质与生命周期

3.1.1 任务的本质：作为并发执行的“执行流”

在FreeRTOS中，任务是系统调度的基本单位，也是开发者实现功能逻辑的主要载体。从本质上讲，任务是一个独立的、并发执行的“执行流”。它拥有独立的程序计数器（PC）、堆栈空间和系统资源视图，使得多个任务在宏观上看起来是在同时运行，尽管在单核处理器上，它们在微观上是通过内核调度交替执行的。

任务与普通的C函数有着根本区别。一个C函数在被调用时，它共享调用者的堆栈空间，执行完毕后控制权返回。而一个任务，一旦被创建并启动，它就成为一个自包含的实体，拥有独立的生命周期，通过内核调度与其它任务竞争CPU时间片。这种区别源于任务底层的数据结构支持。在FreeRTOS内核中，每个任务都由一个任务控制块和一个私有的任务堆栈来完全描述和支撑。

任务控制块是一个tskTCB类型的结构体，它是任务在系统中的“身份证”和“档案袋”。其主要成员包括：

• 栈顶指针：指向该任务私有堆栈的当前栈顶。
• 任务状态列表项：用于将任务链接到不同的内核列表（如就绪列表、阻塞列表）。
• 优先级：决定任务调度的紧迫性。
• 任务入口函数指针：指向开发者实现的任务函数。
• 任务名：用于调试的字符串标识符。
• 通知值：用于高效的任务间通信（如果启用）。

而任务堆栈则是在任务创建时分配的一块连续内存区域。它的核心作用有三个：

1. 保存任务上下文：当任务被切换出去时，其CPU寄存器（如R0-R15， PSR）的值被压入自己的堆栈，以便恢复时能精确回到断点。
2. 提供函数调用空间：任务函数内的局部变量、函数调用地址和参数都使用此堆栈。
3. 保存内部状态：一些编译器优化的中间结果也可能占用栈空间。

因此，可以形式化地理解一个任务TiT_iTi​在内核中的存在为以下元组的集合：
Ti={ TCBi，Stacki，Codei} T_i = \{ \text{TCB}_i， \text{Stack}_i， \text{Code}_i \}Ti​={TCBi​，Stacki​，Codei​}
其中，TCBi\text{TCB}_iTCBi​是任务控制块，Stacki\text{Stack}_iStacki​是任务堆栈，Codei\text{Code}_iCodei​是任务函数的代码。调度器通过管理所有任务的TCB，来实现多任务的并发执行。

3.1.2 任务的生命周期：四状态模型及其转换

FreeRTOS中的任务在其生命周期内，会在四种明确的状态间转换：运行态、就绪态、阻塞态和挂起态。这个有限状态机模型是理解任务行为和多任务系统动态特性的核心。

1. 运行态
在单核处理器上，任一时刻只能有一个任务处于运行态。该任务正在CPU上执行其指令。任务通过以下两种方式离开运行态：

• 主动或被动地让出CPU（如调用延时函数、尝试获取一个不可用的资源），从而进入阻塞态或就绪态。
• 被更高优先级的任务抢占，从而直接回到就绪态。

2. 就绪态
处于就绪态的任务已经具备运行的所有条件（即不等待任何时间或资源），只是因为当前有更高优先级的任务正在运行，或同优先级的任务正在使用其时间片，而暂时无法获得CPU。它们被内核按照优先级组织在就绪列表中。一旦调度器决定进行任务切换，就绪列表中优先级最高的任务将被选中并进入运行态。

3. 阻塞态
阻塞态是任务实现高效并发和事件驱动响应的关键。一个任务会因等待某个事件的发生而主动进入阻塞态。常见的事件包括：

• 等待一段延时时间到达（调用vTaskDelay()）。
• 等待队列、信号量、互斥量、事件组等内核对象的数据或信号。
• 等待一个任务通知。

处于阻塞态的任务不消耗任何CPU时间。它所等待的事件与一个超时时间相关联。如果事件在超时前发生，任务将转移到就绪态；如果超时发生而事件仍未到来，任务也将被转移到就绪态。所有处于阻塞态的任务按事件类型和超时时间被组织在相应的阻塞列表中。

4. 挂起态
挂起态是一种特殊的静止状态。任务进入挂起态后，对调度器而言是“不可见”的，在任何情况下都不会被调度执行，除非被其他任务或中断明确地恢复。任务进入挂起态的唯一途径是调用vTaskSuspend()API，而离开挂起态的唯一途径是调用vTaskResume()或xTaskResumeFromISR()API。挂起态通常用于程序的调试、或由高级的系统管理任务对其它任务进行强制控制。

这四种状态及其转换关系构成了一个完整的、动态的任务生命周期模型，其转换逻辑如下图所示：