3. 任务控制块(TCB)：任务调度的核心数据结构

任务控制块（Task Control Block, TCB）是 RTOS 中用于描述和管理任务的核心数据结构。每个任务在系统中都有一个唯一的 TCB，它包含了任务的所有关键信息，如栈指针、优先级、状态标志以及链表管理节点。TCB 是任务调度器进行上下文切换和任务状态迁移的依据，其设计直接影响系统的实时性和可扩展性。

3.1 TCB 数据结构定义

一个典型的 TCB 结构体包含以下关键字段。不同 RTOS 的实现细节可能有所差异，但核心要素基本一致。

以下是一个简化的 TCB 结构体定义示例（基于 FreeRTOS 风格）：

typedef struct tskTaskControlBlock {
    volatile StackType_t    *pxTopOfStack;      /* 栈指针 */
    ListItem_t              xStateListItem;     /* 状态链表节点 */
    ListItem_t              xEventListItem;     /* 事件链表节点 */
    UBaseType_t             uxPriority;         /* 任务优先级 */
    StackType_t             *pxStack;           /* 栈起始地址 */
    char                    pcTaskName[configMAX_TASK_NAME_LEN]; /* 任务名称 */
    uint8_t                 ucCurrentStatus;    /* 任务状态标志 */
    uint16_t                usStackDepth;       /* 栈深度 */
    #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
        UBaseType_t         uxTCBNumber;        /* TCB 编号，用于跟踪 */
    #endif
} tskTCB;

3.2 栈指针（pxTopOfStack）

栈指针是 TCB 中最重要的字段之一，它直接关联到任务的执行上下文。在 RTOS 中，每个任务拥有独立的栈空间，用于存储局部变量、函数调用参数以及中断发生时的寄存器现场。

• 初始创建：任务创建时，系统会分配一块连续的内存作为任务栈，并将初始的栈指针设置为栈顶（高地址）。同时，会将任务入口函数地址、初始寄存器值等预置到栈中，模拟一个“刚被中断”的现场。
• 上下文切换：当调度器决定切换任务时，当前任务的 CPU 寄存器（如 R0-R12、LR、PC、PSP 等）会被压入当前任务栈，然后 pxTopOfStack 更新为最新的栈顶地址。接着，调度器从下一个任务的 TCB 中取出 pxTopOfStack，并从该地址恢复寄存器。
• 栈溢出检测：通过 pxStack（栈起始地址）和 usStackDepth（栈深度），系统可以在每次上下文切换时检查栈指针是否越界，从而触发栈溢出钩子函数。

3.3 优先级（uxPriority）

优先级决定了任务在就绪队列中的调度顺序。在抢占式调度中，高优先级任务会立即抢占正在运行的低优先级任务。

优先级相关的调度策略：

• 抢占式调度：当高优先级任务就绪时，立即抢占当前运行的低优先级任务。
• 时间片轮转：同优先级任务之间按时间片轮流执行，防止某个任务长时间独占 CPU。
• 优先级继承：用于解决优先级反转问题，临时提升持有资源的低优先级任务的优先级。

3.4 状态标志（ucCurrentStatus）

任务状态标志用于标识任务当前所处的生命周期阶段。RTOS 通常定义以下基本状态：

状态标志通常使用位掩码实现，允许一个任务同时处于多种状态（例如，阻塞且挂起）。调度器通过检查状态标志来决定任务是否可以被调度。

/* 状态标志位定义 */
#define TASK_STATUS_READY       ( ( uint8_t ) 0x01 )
#define TASK_STATUS_RUNNING     ( ( uint8_t ) 0x02 )
#define TASK_STATUS_BLOCKED     ( ( uint8_t ) 0x04 )
#define TASK_STATUS_SUSPENDED   ( ( uint8_t ) 0x08 )
#define TASK_STATUS_DELETED     ( ( uint8_t ) 0x10 )

/* 检查任务是否处于就绪状态 */
#define TASK_IS_READY( pxTCB )  ( ( pxTCB->ucCurrentStatus & TASK_STATUS_READY ) != 0 )

3.5 链表管理：TCB 的组织方式

RTOS 使用双向链表来管理所有 TCB，实现高效的任务插入、删除和遍历。每个 TCB 中嵌入 ListItem_t 结构体，作为链表节点。

典型的链表管理结构：

• 就绪列表（Ready List）：按优先级组织的多个链表，每个优先级对应一个链表头。所有就绪状态的任务挂接到对应优先级的链表中。
• 阻塞列表（Blocked List）：所有因等待事件而阻塞的任务挂接到此列表，通常按超时时间排序。
• 挂起列表（Suspended List）：所有被显式挂起的任务挂接到此列表。
• 事件等待列表（Event List）：当任务等待信号量、队列、互斥量等内核对象时，挂接到对应对象的事件等待列表。

以下是一个简化的链表节点结构：

typedef struct xLIST_ITEM {
    TickType_t          xItemValue;             /* 用于排序的值（如优先级、超时时间） */
    struct xLIST_ITEM   *pxNext;                /* 指向下一个节点 */
    struct xLIST_ITEM   *pxPrevious;            /* 指向前一个节点 */
    void                *pvOwner;               /* 指向所属的 TCB */
    void                *pvContainer;           /* 指向所属的链表 */
} ListItem_t;

3.6 TCB 与链表的关系图

下图展示了 TCB 如何通过链表节点挂接到不同的系统链表中，以及调度器如何通过链表进行任务管理。

3.7 TCB 生命周期管理

TCB 从创建到销毁经历以下阶段：

1. 创建：系统分配 TCB 内存（静态或动态），初始化栈指针、优先级、状态标志为就绪，将 TCB 挂接到就绪列表。
2. 就绪：TCB 在就绪列表中等待调度。调度器根据优先级选择最高优先级的 TCB 投入运行。
3. 运行：TCB 状态标志更新为运行，调度器从 pxTopOfStack 恢复上下文。
4. 阻塞/挂起：当任务等待事件或被挂起时，TCB 从就绪列表移除，挂接到阻塞列表或挂起列表。
5. 恢复：事件到达或超时后，TCB 从阻塞列表移除，重新挂接到就绪列表。
6. 删除：任务执行完毕或被显式删除，TCB 从所有链表移除，内存被回收。

3.8 本章小结

任务控制块（TCB）是 RTOS 任务管理的基石。本章详细介绍了 TCB 的核心字段：栈指针（pxTopOfStack）用于上下文切换，优先级（uxPriority）决定调度顺序，状态标志（ucCurrentStatus）标识任务生命周期，链表节点（ListItem_t）实现高效的任务组织。理解 TCB 的结构和链表管理机制，是后续学习任务调度算法和双缓冲协同优化的前提。