FreeRTOS：事件标志组与任务通知

一、事件标志组（Event Groups）

1、事件标志组的特点

2、事件标志组与队列、信号量的区别

3、关键API函数

4、示例代码

5、优缺点

6、总结

二、任务通知（Task Notifications）

1、任务通知的特点

2、关键API函数

3、使用场景

模拟二值信号量

模拟计数型信号量

模拟消息邮箱

4、优缺点

5、小结

三、总结

在FreeRTOS中，事件标志组（Event Groups）和任务通知（Task Notifications）是用于任务间同步和通信的重要机制。它们可以有效地帮助多个任务进行事件响应和通知，从而实现不同任务之间的协作

一、事件标志组（Event Groups）

事件标志组是一个非常强大的同步工具，它允许任务使用标志位的组合来表示多个事件的状态。每个任务可以检查一个或多个事件标志位，从而决定是否继续执行。事件标志组是一种位掩码机制，任务可以使用位操作来设置、清除或检查这些标志。

事件标志组是一种用于任务间同步的机制。它是由多个事件标志组成的一个集合，可以通过设置、清除或等待特定事件标志位来控制任务的执行流。每个事件标志组的每一位标志可以表示一个具体的事件状态，用户可以通过位操作来管理这些事件。

简单来说，事件标志组就像一个整数（无符号的 16 位或 32 位整数），每一位用来表示一个事件的状态。例如，某个任务可能会根据某些事件的发生情况来执行，而这些事件的状态通过事件标志组的各个位进行管理。

1、事件标志组的特点

每个位表示一个事件：每一位的状态（0 或 1）表示一个事件是否发生。比如，bit0 可能表示按键是否按下，bit1 可能表示是否收到了数据包，等等。
事件标志的存储：事件标志组内部使用 16 位或 32 位无符号整数来存储事件标志。在 STM32 中，通常是 32 位无符号整数。事件标志的高 8 位用于控制事件标志组的管理信息，低 24 位用于存储具体的事件标志。因此，一个事件标志组最多可以存储 24 个事件标志。
支持任务和中断操作：事件标志组不仅可以在任务中使用，还支持中断处理程序（ISR）操作。
等待某个事件或多个事件：任务可以选择等待单个事件的发生，或者等待多个事件的同时发生。并且，任务在等待某个事件的过程中，可以选择是否在事件被清除后继续等待。
事件标志的操作：可以设置、清除或等待事件标志，这些操作可以是独立的，也可以是组合的。
事件的“广播”作用：与信号量或队列不同，事件标志组可以在事件发生时唤醒多个任务，满足多个任务的条件。

2、事件标志组与队列、信号量的区别

队列和信号量：通常情况下，事件发生时只会唤醒一个任务。队列的数据被读取后就消失，信号量在被获取后会减少。

事件标志组：事件发生时，会唤醒所有符合条件的任务，相当于具有“广播”功能。被唤醒的任务有两个选择：要么继续等待事件，要么清除事件标志，避免任务再次被唤醒。

3、关键API函数

创建一个事件标志组：xEventGroupCreate()

设置事件标志组中的某些位：

EventBits_t xEventGroupSetBits( EventGroupHandle_t xEventGroup, // 事件标志组句柄 const EventBits_t uxBitsToSet // 需要设置的事件标志位 );

该函数用于设置指定的事件标志位。如果事件发生，指定的标志位将被设置为 1，通知等待该事件的任务。

清除事件标志组中的某些位：xEventGroupClearBits()

等待某些事件标志位：

EventBits_t xEventGroupWaitBits(
EventGroupHandle_t xEventGroup, // 事件标志组句柄
const EventBits_t uxBitsToWaitFor, // 需要等待的事件标志
const BaseType_t xClearOnExit, // 退出时是否清除标志
const BaseType_t xWaitForAllBits, // 是否等待所有标志位成立
TickType_t xTicksToWait // 等待超时时间
);
该函数用于等待指定的事件标志位。如果 xWaitForAllBits 为 pdTRUE，则任务会等待所有指定的标志位，否则只等待其中任何一个标志位。如果 xClearOnExit 为 pdTRUE，则在事件满足条件后清除标志位。

同步两个或更多的任务的事件标志：

EventBits_t xEventGroupSync(
EventGroupHandle_t xEventGroup, // 事件标志组句柄
const EventBits_t uxBitsToSet, // 需要设置的标志位
const EventBits_t uxBitsToWaitFor, // 需要等待的标志位
TickType_t xTicksToWait // 等待超时时间
);
该函数用于实现同步操作，它将同时设置指定的事件标志，并等待另一个任务设置指定的标志位。

使用场景：

事件驱动的任务调度：任务根据事件标志位的状态来执行。

任务同步：多个任务需要在某些条件下同时执行。

4、示例代码

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "event_groups.h"

// 事件标志组句柄
EventGroupHandle_t xEventGroup;

// 定义标志位
#define BIT_0    ( 1 << 0 )
#define BIT_1    ( 1 << 1 )

// 任务1
void Task1(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 设置 BIT_0 标志位
        xEventGroupSetBits(xEventGroup, BIT_0);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

// 任务2
void Task2(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 等待 BIT_0 被设置
        EventBits_t uxBits = xEventGroupWaitBits(xEventGroup, BIT_0, pdTRUE, pdFALSE, portMAX_DELAY);
        if (uxBits & BIT_0) {
            // 响应事件
            printf("Task2 received BIT_0 event\n");
        }
    }
}

int main(void) {
    // 创建事件标志组
    xEventGroup = xEventGroupCreate();
    
    // 创建任务
    xTaskCreate(Task1, "Task1", 128, NULL, 2, NULL);
    xTaskCreate(Task2, "Task2", 128, NULL, 1, NULL);

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();
    for (;;);
}

解释：

xEventGroupSetBits(xEventGroup, BIT_0)：任务1通过设置事件标志组中的BIT_0来通知任务2。

xEventGroupWaitBits(xEventGroup, BIT_0, pdTRUE, pdFALSE, portMAX_DELAY)：任务2等待BIT_0标志位被设置，一旦设置，它会执行响应操作。

5、优缺点

优点：

事件标志组允许一个或多个任务等待不同的事件，并且可以组合多个标志位，支持灵活的同步机制。可减少不必要的任务切换，提高系统效率。

缺点：

可能会引入较大的内存开销，尤其是当事件标志组的位数较多时。

6、总结

事件标志组是一个强大的同步工具，适合多个任务需要根据不同事件状态来执行的场景。它提供了位操作、事件等待、事件清除等功能，能够灵活地管理任务间的同步。相比队列和信号量，事件标志组具有“广播”能力，能够同时唤醒多个任务，因此适合需要多个任务响应的场景。使用事件标志组时，开发者可以选择任务在事件发生后是否清除事件标志，确保任务的灵活性。总之，事件标志组是FreeRTOS中非常重要的同步工具，它为任务间通信提供了一种高效且灵活的方式。

二、任务通知（Task Notifications）

任务通知是另一种高效的任务间通信机制，它允许一个任务向另一个任务发送“通知”。与事件标志组不同，任务通知是基于一个简单的计数器或标志位的机制，它能够非常快速地通知任务发生了某个事件。在FreeRTOS中，任务通知是任务间通信的一种轻量级方式，可以用于同步和传递简单的状态信息。任务通知的实现通过任务控制块（TCB）中的 ulNotifiedValue 和 ucNotifyState 成员来管理通知的值和状态。

1、任务通知的特点

不覆盖接收任务的通知值：可以选择更新通知值的部分位，而不是完全覆盖。
覆盖接收任务的通知值：可以选择完全覆盖接收任务的通知值。
更新通知值的某些位：类似于事件标志组，可以只更新通知值中的某些特定位。
增加接收任务的通知值：模拟计数信号量的行为，允许通知值递增。
类似队列、事件标志组和信号量：任务通知可以模拟二值信号量、计数型信号量、消息邮箱、事件标志组等多种功能。

2、关键API函数

xTaskNotifyGive()：发送通知给任务。

xTaskNotifyWait()：等待通知。

xTaskNotify()：通知一个任务，并可以附加一个值。

xTaskNotifyAndQuery()：向任务发送通知，并带上通知值，同时查询任务的当前通知值。

ulTaskNotifyTake()：接收任务的通知值，适用于信号量的模拟。接收到通知后，通知值会被清零。

3、使用场景

轻量级任务间通信：任务通知通常用于需要简单同步或触发任务执行的场景。

不需要复杂状态控制的任务间同步：如果你只需要通知另一个任务某个事件发生，任务通知提供了一个非常快速和高效的机制。

模拟二值信号量

二值信号量通常用于同步任务，确保一个任务在执行时，另一个任务处于等待状态。在FreeRTOS中，任务通知可以用来模拟二值信号量。实现过程如下：

任务1：调用 xTaskNotifyGive() 向任务2发送通知，模拟释放信号量。

任务2：调用 ulTaskNotifyTake() 来等待信号量的获取，若信号量可用，则继续执行。

void Task1(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 模拟释放二值信号量
        xTaskNotifyGive(xTask2Handle);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

void Task2(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 模拟获取二值信号量
        ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);
        // 执行任务2
    }
}

模拟计数型信号量

计数型信号量允许多个任务共享资源。任务通知可以通过增加通知值来模拟计数信号量的行为。例如：

任务1：通过 xTaskNotifyGive() 向任务2发送通知，模拟计数信号量的增加。

任务2：通过 ulTaskNotifyTake() 等函数获取信号量。

void Task1(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 模拟计数型信号量的增加
        xTaskNotifyGive(xTask2Handle);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

void Task2(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 获取计数信号量
        ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);
        // 执行任务2
    }
}

模拟消息邮箱

任务通知也可以用来模拟消息邮箱。通过向任务发送带有数据的通知值，任务可以接收数据并进行处理。例如：

任务1：发送带有数据的通知（例如通过 xTaskNotify()）。

任务2：接收通知并处理数据。

void Task1(void *pvParameters) {
    while (1) {
        uint32_t message = 42; // 模拟消息
        xTaskNotify(xTask2Handle, message, eSetValueWithOverwrite);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

void Task2(void *pvParameters) {
    while (1) {
        uint32_t receivedMessage;
        xTaskNotifyWait(0, 0, &receivedMessage, portMAX_DELAY);
        // 处理接收到的消息
    }
}