外观
什么是任务控制块
在学习RTOS的时候，我们经常会听到"任务控制块"（TCB）这个词。
实际上，很多同学对这个概念一知半解，只知道它是一个结构体，在创建任务的时候需要它。之后，凡是需要操作该任务时，都传入该任务的结构体。
此外，在我的《从0手写嵌入式操作系统》课程中，手写RTOS内核的第一步，也是从定义TCB这个数据结构开始的。
可以说，理解了TCB，就拿到了理解整个RTOS内核的钥匙。
那么，任务控制块到底是什么？它里面存了什么东西？为什么RTOS内核需要它？
在这篇文章中，我们就来详细聊聊什么是任务控制块，理解它的主要功能。
为什么需要TCB
你可能会想：只需要给任务指定相应的任务函数，让任务去执行就行了，为什么还要额外配置TCB？
试想一下，在多任务运行的环境中，CPU在多个任务之间来回切换。假设任务A正在运行，RTOS决定切换到任务B运行。过了一会儿，又要切换回任务A继续运行。
那么问题来了：RTOS怎么知道任务A上次执行到哪里了？ 任务A的CPU寄存器里原来存的值是什么？ 任务A的栈在哪里？任务A的优先级是多少？ 任务A现在是就绪状态还是阻塞状态？
这些信息，RTOS都必须记住，否则切换回任务A的时候，就无法正确恢复它的执行状态。
下面的图示展示了TCB中保存的这些关键信息：
那这些信息存在哪里呢？答案就是：任务控制块（TCB）。
什么是TCB
简单来说，TCB就是RTOS为每个任务维护的一个"档案"，里面保存了这个任务的所有信息。 如果这样解释难以理解的话，你可以将TCB看作是一个结构体，里面保存了任务的所有信息。
在RTOS内部，每个任务对应一个TCB，RTOS通过TCB来识别和管理每一个任务。
可以说，。没有TCB，操作系统就不知道这个任务的存在，更无法管理它。
TCB里面存了什么
在不同的RTOS实现中，TCB的具体字段可能有所不同，但核心字段大致是类似的。
这里以RT-Thread的为例，来看看TCB里都存了什么（省略一些不常用的字段）。
struct rt_thread
{
/* 任务名称 */
char name[RT_NAME_MAX];
/* 任务状态：就绪、运行、阻塞、挂起等 */
rt_uint8_t stat;
/* 任务优先级 */
rt_uint8_t current_priority;
/* 栈顶指针：保存任务切换时的栈顶位置 */
rt_uint32_t *sp;
/* 栈的起始地址和大小 */
void *stack_addr;
rt_uint32_t stack_size;
/* 任务入口函数和参数 */
void (*entry)(void *parameter);
void *parameter;
/* 时间片计数器 */
rt_uint32_t remaining_tick;
/* 内置定时器：用于任务延时和超时 */
struct rt_timer thread_timer;
/* 等待队列节点：用于将任务挂到IPC对象的等待链表上 */
rt_list_t tlist;
/* 任务错误码 */
rt_err_t error;
};下面用列表简要说明各字段的作用：
- 任务名称（name）：任务的名字。
- 任务状态（stat）：记录任务当前处于就绪、运行、阻塞还是关闭状态。
- 任务优先级（current_priority）：任务的优先级，调度器根据优先级决定先运行哪个任务。
- 栈指针（sp）：保存任务的栈顶位置。
- 栈信息（stack_addr、stack_size）：记录任务栈的起始地址和大小。
- 任务入口函数（entry、parameter）：任务的入口函数地址和传入参数。
- 时间片计数器（remaining_tick）：用于时间片轮转调度，记录当前任务还剩多少个tick的运行时间。
- 内置定时器（thread_timer）：用于任务延时和IPC等待超时。
- 等待队列节点（tlist）：链表节点，用于将任务挂到就绪队列、延时队列、IPC等待队列等各种内核链表上。
- 错误码（error）：记录任务的错误状态。
TCB在内核中的作用
在RTOS内核内部，TCB通常作为结点插入到内核的各种队列中，用于实现就绪运行调度、延时、阻塞和挂起等多种功能。
为便于理解，下面给出了简单的示例（有些RTOS的队列设计比较复杂，这里不展开说明）。
调度器管理任务
**RTOS的调度器维护着就绪队列。就绪队列里存放的是所有就绪任务的TCB。
通常情况下，就绪队列中的TCB按优先级排序，调度器每次取队首（最高优先级）的TCB来运行。
当任务被创建时，它的TCB被加入就绪队列；任务阻塞时，它的TCB从就绪队列移除；任务被唤醒时，它的TCB重新加入就绪队列。
在RT-Thread中，创建任务时调用rt_thread_create()或rt_thread_init()，初始化完成后TCB被加入就绪队列；调度器通过rt_schedule()从就绪队列中选择最高优先级的TCB来运行。
任务延时
当任务调用延时函数进行延时时，RTOS将任务的TCB从就绪队列移除，并将任务挂到定时器链表（延时队列）上。
当延时时间到后，定时器回调函数将TCB从延时队列移除，重新加入就绪队列，任务被唤醒。
延时队列中的TCB通常按延时时间从小到大排序。定时器每次检查队首的TCB是否到期，到期后将其从延时队列移除，加入就绪队列。
在RT-Thread中，任务调用rt_thread_mdelay()或rt_thread_delay()进入延时，TCB被加入延时队列；延时时间到后，定时器回调函数rt_thread_timeout()将TCB从延时队列移除，重新加入就绪队列。
IPC等待队列
当任务调用等待函数（如等待信号量、等待消息）时，如果资源不可用，内核将任务的TCB从就绪队列移除，通过TCB中的链表节点将其挂到IPC对象（信号量、消息队列等）的等待链表上。
当其他任务或中断释放资源时，内核从等待链表上取下最高优先级的TCB，将其移回就绪队列，任务被唤醒。
通常情况下，IPC等待队列中的TCB也同样按优先级排序，当资源可用时，内核唤醒等待队列中优先级最高的任务。这样保证了高优先级任务能优先获得资源。
在RT-Thread中，任务调用rt_sem_take()等函数时，如果资源不可用，TCB被加入对应IPC对象的等待队列；其他任务或中断调用rt_sem_release()等函数释放资源时，内核从等待队列中取下最高优先级的TCB，移回就绪队列。
总结
综上所述，TCB就是RTOS为每个任务维护的"档案"，里面保存了任务的所有信息：任务名称、状态、优先级、栈指针等。每个任务对应一个TCB，操作系统通过TCB来识别和管理每一个任务。
并且，TCB贯穿了RTOS内核的所有核心机制，RTOS通过多种不同的队列（就绪队列、延时队列、阻塞队列等）让TCB进行排队，从而实现任务的有序运行、公平获得各种资源。
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