十八、任务通知

1、前言

(1)所谓“任务通知”，可以反过来读"通知任务"。我们使用队列、信号量、事件组等等方法时，并不知道对方是谁。使用任务通知时，可以明确指定：通知哪个任务。

(2)使用队列、信号量、事件组时，我们都需要实先创建对应的结构体，双方通过中间的结构体通信：

(3)使用任务通知时，任务结构体TCB中就包含了内部对象，可以直接接收别人发过来的“通知”：

(4)本文涉及的内容：

  • 任务通知：通知状态、通知值
  • 任务通知的使用场合
  • 任务通知的优势及限制

2、任务通知的特性

2.1、优势及限制

(1)任务通知的优势：

  • 效率更高：使用任务通知来发送事件、数据给某个任务时，效率更高。比队列、信号量、事件组都有优势。
  • 更节省内存：使用其他方法时都要先创建对应的结构体，使用任务通知时无需额外创建结构体。

(2)任务通知的限制：

  • 不能发送数据给ISR：ISR并没有任务结构体，所以无法使用任务通知的功能给ISR发送数据。但ISR可以使用任务通知的功能，发送数据给任务。
  • 数据只能给该任务独享：使用队列、信号量、事件组时，数据保存在这些结构体中，其他任务、ISR都可以访问这些数据。使用任务通知时，数据存放在目标任务中，只有它可以访问这些数据。在日常工作中，这个限制影响不大。因为很多场合是从多个数据源把数据发给某个任务，而不是把一个数据源发给多个任务。
  • 无法缓冲数据：使用队列时，假设队列深度为N，那么它可以保持N个数据。使用任务通知时，任务结构体中只有一个任务通知值，只能保持一个数据。
  • 无法广播给多个任务：使用事件组可以同时给多个任务发送事件。使用任务通知，只能发给一个任务。
  • 如果发送受阻，发送方无法进入阻塞状态等待：假设队列已经满了，使用 xQueueSendToBack() 给队列发送数据时，任务可以进入阻塞状态等待发送完成。使用任务通知时，即使对方无法接收数据，发送方也无法阻塞等待，只能即刻返回错误。

2.2、通知状态和通知值

(1)每个任务都有一个结构体：TCB(Task Control Block)，里面有2个成员：

  • 一个是uint8_t类型，用来表示通知状态
  • 一个是uint32_t类型，用来表示通知值
typedef struct tskTaskControlBlock
{
    ......
    /* configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES = 1 */
    volatile uint32_t ulNotifiedValue[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];
    volatile uint8_t ucNotifyState[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];
    ......
} tskTCB;

(2)通知状态有3种取值：

  • taskNOT_WAITING_NOTIFICATION：任务没有在等待通知
  • taskWAITING_NOTIFICATION：任务在等待通知
  • taskNOTIFICATION_RECEIVED：任务接收到了通知，也被称为pending(有数据了，待处理)
##define taskNOT_WAITING_NOTIFICATION ( ( uint8_t ) 0 )  /* 也是初始状态 */
##define taskWAITING_NOTIFICATION     ( ( uint8_t ) 1 )
##define taskNOTIFICATION_RECEIVED    ( ( uint8_t ) 2 )

(3)通知值可以有很多种类型：

  • 计数值
  • 位(类似事件组)
  • 任意数值

3、任务通知的使用

3.1、两类函数

(1)任务通知有2套函数，简化版、专业版，列表如下：

  • 简化版函数的使用比较简单，它实际上也是使用专业版函数实现的
  • 专业版函数支持很多参数，可以实现很多功能
简化板专业板
发出通知

xTaskNotifyGive

vTaskNotifyGiveFromISR

xTaskNotify

xTaskNotifyFromISR

取出通知ulTaskNotifyTakexTaskNotifyWait

3.2、简化版

(1)在任务中使用xTaskNotifyGive函数，在ISR中使用vTaskNotifyGiveFromISR函数；两个函数都是直接给其他任务发送通知：

  • 使得通知值加1。
  • 并使得通知状态变为“pending”，也就是 taskNOTIFICATION_RECEIVED ，表示有数据了，待处理。

(2)可以使用 ulTaskNotifyTake 函数来取出通知值：

  • 如果通知值等于0，则阻塞(可以指定超时时间)
  • 当通知值大于0时，任务从阻塞状态进入就绪态
  • 在 ulTaskNotifyTask 返回之前，还可以做些清理工作：把通知值减1，或者把通知值清零。

(3)使用ulTaskNotifyTask函数可以实现轻量级的、高效的二进制信号量、计数型信号量。

(4)函数原型如下：

BaseType_t xTaskNotifyGive( TaskHandle_t xTaskToNotify ); 
void vTaskNotifyGiveFromISR( TaskHandle_t xTaskHandle, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken ); 
uint32_t ulTaskNotifyTake( BaseType_t xClearCountOnExit, TickType_t xTicksToWait );

(5)xTaskNotifyGive函数的参数说明如下：

参数说明
xTaskToNotify任务句柄(创建任务时得到)，给哪个任务发通知
返回值必定返回pdPASS

(6)vTaskNotifyGiveFromISR函数的参数说明如下：

参数说明
xTaskHandle任务句柄(创建任务时得到)，给哪个任务发通知
xTaskHandle

被通知的任务，可能正处于阻塞状态。
此函数发出通知后，会把它从阻塞状态切换为就绪态。

如果被唤醒的任务的优先级，高于当前任务的优先级，
则" *pxHigherPriorityTaskWoken "被设置为pdTRUE，
这表示在中断返回之前要进行任务切换。

(7)ulTaskNotifyTake函数的参数说明如下：

参数说明
xClearCountOnExit函数返回前是否清零：
pdTRUE：把通知值清零
pdFALSE：如果通知值大于0，则把通知值减1
xTicksToWait

任务进入阻塞态的超时时间，它在等待通知值大于0。

0：不等待，即刻返回；

portMAX_DELAY：一直等待，直到通知值大于0；

其他值：Tick Count，可以用 pdMS_TO_TICKS() 把ms转换为Tick Count

返回值

函数返回之前，在清零或减1之前的通知值。

如果xTicksToWait非0，则返回值有2种情况：

1. 大于0：在超时前，通知值被增加了
2. 等于0：一直没有其他任务增加通知值，最后超时返回0

3.3、专业版

(1)xTaskNotify函数功能更强大，可以使用不同参数实现各种功能，比如：

  • 让接收任务的通知值加1：这时 xTaskNotify() 等同于 xTaskNotifyGive() 。
  • 设置接收任务的通知值得某一位、某些位，这就是一个轻量级的、更高效的事件组。
  • 把一个新值写入接收任务的通知值：上一次的通知值被读走后，写入才成功。这就是轻量级的、长度为1的队列。
  • 用一个新值覆盖接收任务的通知值：无论上一次的通知值是否被读走，覆盖都成功。类似xQueueOverwrite() 函数，这就是轻量级的邮箱。

(2)xTaskNotify() 比 xTaskNotifyGive() 更灵活、强大，使用上也就更复杂。

(3)xTaskNotifyFromISR() 是 xTaskNotify() 对应的ISR版本。

(4)xTaskNotifyFromISR() 和 xTaskNotify() 函数用来发出通知任务，使用 xTaskNotifyWait() 函数来取出任务通知。xTaskNotifyWait() 比 ulTaskNotifyTake() 更复杂：

  • 和 ulTaskNotifyTake() 一样，可以让任务等待(可以加上超时时间)，等到任务状态为“pending”(也就是有数据)。
  • 还可以在函数进入、退出时，清除通知值得指定位。

(5)这几个函数的原型如下：

BaseType_t xTaskNotify( TaskHandle_t xTaskToNotify, 
                        uint32_t ulValue,
                        eNotifyAction eAction );

BaseType_t xTaskNotifyFromISR( TaskHandle_t xTaskToNotify,
                               uint32_t ulValue,
                               eNotifyAction eAction,
                               BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );

BaseType_t xTaskNotifyWait( uint32_t ulBitsToClearOnEntry,
                            uint32_t ulBitsToClearOnExit,
                            uint32_t *pulNotificationValue,
                            TickType_t xTicksToWait );

(6)xTaskNotify函数的参数说明如下：

参数说明
xTaskToNotify任务句柄(创建任务时得到)，给哪个任务发通知
ulValue怎么使用ulValue，由eAction参数决定
eAction见下表
返回值

pdPASS：成功，大部分调用都会成功

pdFAIL：只有一种情况会失败，当eAction为eSetValueWithoutOverwrite，
并且通知状态为"pending"(表示有新数据未读)，这时就会失败。

eAction参数说明：

eAction取值说明
eNoAction

仅仅是更新通知状态为“pending”，未使用ulValue。

这个选项相当于轻量级的、更高效的二进制信号量。

eSetBits通知值 = 原来的通知值 | ulValue，按位或。
相当于轻量级的、更高效的事件组。
eIncrement通知值 = 原来的通知值 + 1，未使用ulValue。
相当于轻量级的、更高效的二进制信号量、计数型信号量。
相当于 xTaskNotifyGive() 函数。
eSetValueWithoutOverwrite

不覆盖。
如果通知状态为"pending"(表示有数据未读)，

则此次调用xTaskNotify不做任何事，返回pdFAIL。
如果通知状态不是"pending"(表示没有新数据)，

则：通知值 = ulValue。

eSetValueWithOverwrite覆盖。
无论如何，不管通知状态是否为"pendng"，
通知值 = ulValue。

(7)xTaskNotifyFromISR函数跟xTaskNotify很类似，就多了最后一个参数pxHigherPriorityTaskWoken 。在很多ISR函数中，这个参数的作用都是类似的，使用场景如下：

  • 被通知的任务，可能处于阻塞状态
  • xTaskNotifyFromISR 函数发出通知后，会把接收任务从阻塞状态切换为就绪态
  • 如果被唤醒的任务的优先级，高于当前任务的优先级，则"*pxHigherPriorityTaskWoken"被设置为pdTRUE，这表示在中断返回之前要进行任务切换。

(8)xTaskNotifyWait 函数列表如下：

参数说明
ulBitsToClearOnEntry

在xTaskNotifyWait入口处，要清除通知值的哪些位？

通知状态不是"pending"的情况下，才会清除。

它的本意是：我想等待某些事件发生，所以先把"旧数据"的某些位清零。

能清零的话：通知值 = 通知值 & ~(ulBitsToClearOnEntry)。

比如传入0x01，表示清除通知值的bit0；
传入0xFFFFFFFF即ULONG_MAX，表示清除所有位，即把值设置为0

ulBitsToClearOnExit

在xTaskNotifyWait出口处，如果不是因为超时退出，

而是因为得到了数据而退出时：

通知值 = 通知值 & ~(ulBitsToClearOnExit)。
在清除某些位之前，通知值先被赋给"*pulNotificationValue"。
比如入0x03，表示清除通知值的bit0、bit1；
传入0xFFFFFFFF即ULONG_MAX，表示清除所有位，即把值设置为0

pulNotificationValue

用来取出通知值。
在函数退出时，使用ulBitsToClearOnExit清除之前，

把通知值赋给"*pulNotificationValue"。
如果不需要取出通知值，可以设为NULL。

xTicksToWait任务进入阻塞态的超时时间，它在等待通知状态变为"pending"。
0：不等待，即刻返回；
portMAX_DELAY：一直等待，直到通知状态变为"pending"；
其他值：Tick Count，可以用 pdMS_TO_TICKS() 把ms转换为Tick Count
返回值1. pdPASS：成功
这表示xTaskNotifyWait成功获得了通知：
可能是调用函数之前，通知状态就是"pending"；
也可能是在阻塞期间，通知状态变为了"pending"。
2. pdFAIL：没有得到通知。

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