FreeRTOS 直接任务通知 Notification

介绍

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在嵌入式系统开发中，任务间的通信和同步是非常重要的一部分。而FreeRTOS就提供了多种机制来实现这些，比如队列、信号量和事件组。不过，使用这些机制都需要创建一个通信对象，不能直接把事件和数据发送给接收任务或中断服务例程（ISR），而是必须通过队列、事件组或信号量等通信对象来传递。同样地，任务和ISR也不能直接从发送事件或数据的任务或ISR那里接收事件和数据，而要从通信对象中接收。

为了解决这个问题，FreeRTOS引入了一种新的机制：直接任务通知（Task Notifications）。使用任务通知，任务之间可以直接交互，并且可以与ISR同步，而无需单独的通信对象。借助任务通知，任务或ISR可以直接向接收任务发送事件，简单便捷。

直接任务通知的原理

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FreeRTOS的直接任务通知。其实，这东西就是个特殊的二进制信号量。当一个任务想给另一个任务发个通知时，就像传纸条一样，可以顺便带上一个32位的数值。收到通知的任务就能看到这个数值，明白要干啥了。要是通知已经发出去了，等待的任务就会立马被叫醒；不然的话，任务就得一直等着，就看它会是等到通知还是等到超时了。

咱们来打个比方。假设你和朋友在玩游戏，有时候得传一个特别的信号给他，告诉他下一步该咋办。这个信号就像一张小纸条，你可以写上一些指示然后递给朋友。他一收到纸条，就知道咱们要干嘛。在FreeRTOS里，直接任务通知就像是这张小纸条，而且还能带点额外信息，比如一个数字，指示接收任务该咋办。发送任务发通知，接收任务等通知。一旦通知来了，接收任务就能知道该干啥了。

🚨要注意一点哦！如果一个任务正在等待通知，一旦通知被发出来，这任务就会立马醒来。这是因为FreeRTOS的调度器会在通知发出时看看有没有任务在等着接收这个通知。要是有等着的，它就会立刻叫醒任务，让任务看看通知的数值，继续工作。

如果任务在通知发出后才开始等待它，那这个任务就会立刻收到通知，不需要陷入等待状态。原因是FreeRTOS的任务通知机制会记住已发送但尚未被接收的通知。

使用任务通知

要开启任务通知功能，首先要在FreeRTOSConfig.h里把configUSE_TASK_NOTIFICATIONS设成1如下图👇。设成1以后，每个任务都有一个“通知状态”，可以是等待（Pending）或者“不在等待（Not-Pending），还有一个“通知值”，就是一个32位无符号整数。任务收到通知的时候，通知状态会变成“Pending”。任务读取通知值的时候，通知状态会变成“Not-Pending”。任务可以在阻塞（Blocked）状态下等待通知状态变成“Pending”。

直接任务通知的用法

FreeRTOS 提供了一组 API 来实现直接任务通知的功能，主要包括 xTaskNotifyGive()、ulTaskNotifyTake()、xTaskNotifyWait() 等函数。这些函数允许任务发送和接收直接任务通知，并且可以带有一个 32 位的通知值。

直接任务通知的示例

示例1

在这个例子中干了两个活：Task1 和 Task2。Task1每秒给Task2发个通知，Task2等着接收通知。一旦Task2收到通知，就会打印个消息说收到了。这样，Task1 和 Task2 就通过直接任务通知搞定了沟通和同步的事儿。

#include <Arduino.h>
#include <FreeRTOS.h>
#include <task.h>

// 定义任务句柄
TaskHandle_t Task1Handle, Task2Handle;

// 任务1函数
void Task1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 发送任务通知
    xTaskNotifyGive(Task2Handle);
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 每秒发送一次通知
  }
}

// 任务2函数
void Task2(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 等待任务通知
    ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);
    
    // 收到通知后的操作
    Serial.println("Task2 received notification");
  }
}

void setup() {
  // 初始化串口
  Serial.begin(115200);

  // 创建任务1
  xTaskCreate(Task1, "Task1", 1000, NULL, 1, &Task1Handle);

  // 创建任务2
  xTaskCreate(Task2, "Task2", 1000, NULL, 1, &Task2Handle);
}

void loop() {
  // 什么也不做
}

示例2

同样有 任务1和任务2。任务1通过调用xTaskNotifyWait()等待通知。任务2通过调用xTaskNotify()向任务1发送通知。当任务1收到通知时，它会打印接收到的通知值。

#define NOTIFICATION_VALUE  ( 1UL << 0UL )  // 定义通知值

TaskHandle_t xTaskToNotify = NULL;  // 定义一个任务句柄，用于存储将要被通知的任务的句柄

// 任务1
void vTask1(void *pvParameters)
{
    // 定义一个变量，用于存储接收到的通知值
    uint32_t ulNotificationValue;

    // 等待通知
    // 如果在等待期间收到了通知，那么这个函数会返回pdPASS，并且ulNotificationValue会被设置为接收到的通知值
    BaseType_t xResult = xTaskNotifyWait(0, NOTIFICATION_VALUE, &ulNotificationValue, portMAX_DELAY);

    // 检查是否收到了通知
    if(xResult == pdPASS)
    {
        // 通知已接收，打印接收到的通知值
        printf("Received notification: %lu\n", ulNotificationValue);
    }
}

// 任务2
void vTask2(void *pvParameters)
{
    // 向任务1发送通知
    // 这个函数会将任务1的通知值设置为NOTIFICATION_VALUE
    xTaskNotify(xTaskToNotify, NOTIFICATION_VALUE, eSetBits);
}

int main(void)
{
    // 创建任务
    // 注意我们将任务1的句柄存储在了xTaskToNotify中，这样任务2就可以通过这个句柄向任务1发送通知
    xTaskCreate(vTask1, "Task 1", 1000, NULL, 1, &xTaskToNotify);
    xTaskCreate(vTask2, "Task 2", 1000, NULL, 1, NULL);

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();

    return 0;
}

API

当然，以下是FreeRTOS中一些主要的直接任务通知API函数的详细信息：

1. xTaskNotify()

函数原型：

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

功能：向一个任务发送通知。

参数：

• xTaskToNotify：要通知的任务的句柄。
• ulValue：通知值。
• eAction：eAction是一个枚举类型，用于指定如何更新任务通知值。它有以下几个可能的值：
  • eNoAction：不改变通知值。这个动作可以用于仅发送通知，而不改变通知值。
  • eSetBits：将通知值中的一个或多个位设置为1 （相当于与对方的Notification value 或运算）。这个动作可以用于发送一个或多个事件标志。
  • eIncrement：将通知值加一。这个动作可以用于实现计数信号量。
  • eSetValueWithOverwrite：用新的值覆盖通知值，即使任务已经有通知挂起。
  • eSetValueWithoutOverwrite：只有在任务没有通知挂起时，才用新的值覆盖通知值。（即 只有当任务当前没有待处理的通知时，新的通知值才会被设置。）

返回值：如果通知成功发送，那么这个函数返回pdPASS。如果任务已经在等待接收通知，那么这个函数返回pdTRUE。

2. xTaskNotifyWait()

函数原型：

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

功能：让一个任务等待通知。

参数：

• ulBitsToClearOnEntry：在等待通知时要清除的位。
• ulBitsToClearOnExit：在函数返回时要清除的通知值的位。
• pulNotificationValue：指向变量的指针，这个变量用于存储接收到的通知值 （是在清除通知值对应位前的值） 。
• xTicksToWait：等待通知的最大时间。

返回值：如果任务收到通知，那么这个函数返回pdPASS。否则，这个函数返回pdFALSE。

3. xTaskNotifyGive()

函数原型：

void xTaskNotifyGive( TaskHandle_t xTaskToNotify );

功能：向一个任务发送通知，并将通知值加一。

参数：

• xTaskToNotify：要通知的任务的句柄。

返回值：这个函数没有返回值。

4. ulTaskNotifyTake()

函数原型：

uint32_t ulTaskNotifyTake( BaseType_t xClearCountOnExit, TickType_t xTicksToWait );

功能：接收通知，并将通知值清零。

参数：

• xClearCountOnExit：一个布尔值，指定是否应该在通知值为零时阻塞任务。
• xTicksToWait：等待通知的最大时间。

返回值：这个函数返回接收到的通知值。

总结

FreeRTOS 直接任务通知提供了一种高效的任务间通信机制，可以实现任务间的同步和协作，适用于多种实时嵌入式系统中。通过简单的 API 调用，任务可以发送和接收直接任务通知，从而实现灵活的任务管理和事件触发。