FreeRTOS: ISR（中断服务例程）和 TCB（任务控制块）

在讨论 ISR（中断服务例程）和 TCB（任务控制块，Task Control Block）时，我们实际上是在探讨 FreeRTOS 中两个不同但又相互关联的概念：一个是用于处理硬件或软件触发的中断事件，另一个是操作系统用来管理任务的核心数据结构。下面我将详细解释这两个概念及其关系。

1. ISR (Interrupt Service Routine)

定义

• ISR 是一段专门编写的小型程序代码，用来处理特定类型的中断请求。当中断发生时，CPU 暂停当前执行的任务，转而执行相应的 ISR 来响应这个中断。ISR 必须快速完成其工作，以确保其他更高优先级的中断能够及时得到响应。

特点

• 高优先级：ISR 比普通任务具有更高的优先级。
• 非抢占性：在一个 ISR 执行期间，不会被另一个 ISR 或者普通任务所抢占，除非新来的中断源设置了更高的优先级。
• 简短高效：ISR 应尽可能快地完成，因为长时间运行的 ISR 可能会影响系统的实时性能和响应速度。
• 不能阻塞：ISR 内部不允许调用任何可能导致阻塞的操作（如 vTaskDelay()），因为这会导致整个系统陷入死锁状态。

在 FreeRTOS 中使用 ISR

• 发送消息给队列：可以使用 xQueueSendFromISR() 函数将数据发送到队列，但要注意避免阻塞。
• 唤醒任务：可以通过 xSemaphoreGiveFromISR() 或 xTaskResumeFromISR() 唤醒等待的任务，同样要避免阻塞。
• 检查是否需要上下文切换：某些 ISR 函数有一个参数指向一个布尔变量，如果该变量被设为 pdTRUE，则表明有更高优先级的任务被唤醒，可能需要进行上下文切换。这时应该调用 portYIELD_FROM_ISR() 来实现这一点。

2. TCB (Task Control Block)

定义

• TCB 是 FreeRTOS 内核用于管理每个任务的数据结构。它包含了任务的所有信息，包括但不限于：
  • 任务状态：如就绪、运行、阻塞等。
  • 任务堆栈指针：保存任务的寄存器状态和局部变量。
  • 任务优先级：定义了任务相对于其他任务的执行顺序。
  • 任务句柄：唯一标识符，用于从应用程序中引用任务。
  • 任务延时计数器：用于定时阻塞任务。
  • 消息队列：如果任务使用了队列，则包含相关队列的信息。

功能

• 任务调度：FreeRTOS 使用 TCB 中的状态信息来决定哪个任务应该获得 CPU 时间片。
• 内存管理：每个 TCB 都有自己的堆栈空间，用于存储任务执行期间的临时数据。
• 同步与通信：通过 TCB，任务可以访问和操作共享资源，如信号量、队列等，从而实现任务间的同步和通信。

ISR 和 TCB 的关系

尽管 ISR 和 TCB 分别代表了不同的概念，但在实际应用中它们之间存在一定的交互：

• 从中断上下文唤醒任务：当 ISR 处理完中断后，它可能会改变某个任务的状态（例如通过信号量或队列）。此时，ISR 可以通知 FreeRTOS 内核有关任务状态的变化，并可能触发一次上下文切换，让被唤醒的任务立即开始执行。这种情况下，ISR 会更新相关的 TCB，特别是那些涉及任务状态转换的部分。

• 任务创建与删除：虽然 ISR 不直接参与任务的创建或删除过程，但它可以在运行时影响哪些任务处于活动状态。例如，ISR 可能会向队列发送数据，导致原本处于阻塞状态的任务变得可运行，进而改变了这些任务对应的 TCB 状态。

• 上下文切换：当 ISR 结束时，如果检测到有更高优先级的任务被唤醒，则会触发一次上下文切换。这意味着当前正在执行的任务会被挂起，而新的最高优先级任务将接管 CPU。这一过程中，FreeRTOS 内核会根据各个任务的 TCB 来确定下一个要执行的任务，并相应地调整 CPU 上下文。