【FreeRTOS基础入门】任务通知

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前言

FreeRTOS 提供了丰富而灵活的任务通知机制，为多任务协作提供了一种有效的方式。任务通知允许任务之间进行轻量级的信息传递，从而实现更加紧密的协同工作。在本篇文章中，我们将深入了解 FreeRTOS 中的任务通知，探索其基础概念和简单用法，帮助读者更好地理解和应用这一关键特性。

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一、任务通知介绍

1.1 任务通知怎么通信

在任务通知中，我们可以直接把需要通知的东西发给对方就行了：

1.2 任务通知与其他通信方式的区别

使用队列、信号量、事件组时，我们都要事先创建对应的结构体，双方通过中间的结构体通信：

但我们的任务通知只需要对方的TCB结构体即可任务结构体 TCB 中就包含了内部对象，可以直接接收别人发过来的"通知"：

1.3 优势及限制

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、事件组都有大的优势。
 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。

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。但是 ISR可以使用任务通知的功能，发数据给任务。
 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，数据存放入目标任务中，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的数据发给多个任务。
 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，只能发个一个任务。
 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

1.4 内部原理

在TCB_t里面，存储着这两个成员:ulNotifiedValue与ucNotifyState他们分别表示通知的数据和通知的状态，如下图所示：

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)

通知值可以有很多种类型：
 计数值
 位(类似事件组)
 任意数值

二、任务通知的使用

如果你想使用任务通知，应该加上:configUSE_TASK_NOTIFICATIONS这个宏

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

2.1 发出与接收通知简化版

在任务中发送通知可以使用下面这个函数：

BaseType_t xTaskNotifyGive( TaskHandle_t xTaskToNotify );

他的参数是任务的handle。他会使对方任务的通知值加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

在中断中发送通知可以使用下面这个函数：

void vTaskNotifyGiveFromISR( TaskHandle_t xTaskHandle, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );

我们可以使用下面这个函数来等待接收通知：

uint32_t ulTaskNotifyTake( BaseType_t xClearCountOnExit, TickType_t xTicksToWait );

参数1为是否清除值，在退出此函数之后.参数2为等待时间

 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，任务从阻塞态进入就绪态

2.1 发出与接收通知专业版

在任务中发送通知可以使用下面这个函数：

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

参数2为你要为那个任务的TCB的value设置为多少。
eNotifyAction 参数说明：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. eSetValueWithOverwrite 覆盖。无论如何，不管通知状态是否为"pendng"，通知值 = ulValue。

在中断中发送通知可以使用下面这个函数：

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

我们可以使用下面这个函数来等待通知：

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

参数1为：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。
参数2为：在 xTaskNotifyWait 出口处，如果不是因为超时推出，而是因为得到了数据而退出时：通知值 = 通知值 & ~(ulBitsToClearOnExit)。
参数3用来取得对应的值
参数4为等待时间

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总结

任务通知是 FreeRTOS 中一个强大的工具，为多任务系统中的任务间通信提供了高效可靠的机制。通过任务通知，任务可以在不同的优先级下进行快速的同步和信息传递，避免了使用更为复杂的信号量和队列时可能引入的开销。了解和善用任务通知，可以让我们更好地设计和优化 FreeRTOS 应用程序，提高系统的效率和可维护性。

在使用任务通知时，需要注意合理规划任务间的通信和同步需求，避免过度使用通知，以确保系统的可靠性。通过深入学习 FreeRTOS 的任务通知机制，我们可以更加灵活地掌握多任务编程的技巧，提高嵌入式系统的性能和响应能力。

在日益复杂的嵌入式应用中，任务通知作为 FreeRTOS 提供的重要特性，为开发者提供了更多处理任务间协作的选择。通过深入理解和应用任务通知，我们能够更加高效地构建稳定可靠的嵌入式系统。希望本文能够为初学者提供一个简明易懂的入门指南，帮助读者更好地利用 FreeRTOS 的任务通知功能。