FreeRTOS优化与错误排查方法
- 2019 年 10 月 15 日
- 筆記
写在前面
主要是为刚接触 FreeRTOS 的用户指出那些新手通常容易遇到的问题。这里把最主要的篇幅放在栈溢出以及栈溢出j检测上，因为栈相关的问题是初学者遇到最多的问题。
printf-stdarg.c
当调用 C 标准库 的函数时，栈空间使用量可能会急剧上升，特别是 IO 与字符串处理函数，比如 sprintf()、printf()等。在 FreeRTOS 源码包中有一个名为 printf-stdarg.c 的文件。这个文件实现了一个栈效率优化版的小型 sprintf()、printf()，可以用来代替标准 C 库函数版本。在大多数情况下，这样做可以使得调用 sprintf()及相关函数的任务对栈空间的需求量小很多。
可能很多人都不知道freertos中有这样子的一个文件，它放在第三方资料中，路径为“FreeRTOSv9.0.0FreeRTOS-PlusDemoFreeRTOS_Plus_UDP_and_CLI_LPC1830_GCC”，我们发布工程的时候就无需依赖 C 标准库，这样子就能减少栈的使用，能优化不少空间。
该文件源码（部分）：
static int print( char **out, const char *format, va_list args ) { register int width, pad; register int pc = 0; char scr[2]; for (; *format != 0; ++format) { if (*format == '%') { ++format; width = pad = 0; if (*format == ' ') break; if (*format == '%') goto out; if (*format == '-') { ++format; pad = PAD_RIGHT; } while (*format == '0') { ++format; pad |= PAD_ZERO; } for ( ; *format >= '0' && *format <= '9'; ++format) { width *= 10; width += *format - '0'; } if( *format == 's' ) { register char *s = (char *)va_arg( args, int ); pc += prints (out, s?s:"(null)", width, pad); continue; } if( *format == 'd' || *format == 'i' ) { pc += printi (out, va_arg( args, int ), 10, 1, width, pad, 'a'); continue; } if( *format == 'x' ) { pc += printi (out, va_arg( args, int ), 16, 0, width, pad, 'a'); continue; } if( *format == 'X' ) { pc += printi (out, va_arg( args, int ), 16, 0, width, pad, 'A'); continue; } if( *format == 'u' ) { pc += printi (out, va_arg( args, int ), 10, 0, width, pad, 'a'); continue; } if( *format == 'c' ) { /* char are converted to int then pushed on the stack */ scr[0] = (char)va_arg( args, int ); scr[1] = ' '; pc += prints (out, scr, width, pad); continue; } } else { out: printchar (out, *format); ++pc; } } if (out) **out = ' '; va_end( args ); return pc; } int printf(const char *format, ...) { va_list args; va_start( args, format ); return print( 0, format, args ); } int sprintf(char *out, const char *format, ...) { va_list args; va_start( args, format ); return print( &out, format, args ); } int snprintf( char *buf, unsigned int count, const char *format, ... ) { va_list args; ( void ) count; va_start( args, format ); return print( &buf, format, args ); }使用的例子与 C 标准库基本一样：
int main(void) { char *ptr = "Hello world!"; char *np = 0; int i = 5; unsigned int bs = sizeof(int)*8; int mi; char buf[80]; mi = (1 << (bs-1)) + 1; printf("%sn", ptr); printf("printf testn"); printf("%s is null pointern", np); printf("%d = 5n", i); printf("%d = - max intn", mi); printf("char %c = 'a'n", 'a'); printf("hex %x = ffn", 0xff); printf("hex %02x = 00n", 0); printf("signed %d = unsigned %u = hex %xn", -3, -3, -3); printf("%d %s(s)%", 0, "message"); printf("n"); printf("%d %s(s) with %%n", 0, "message"); sprintf(buf, "justif: "%-10s"n", "left"); printf("%s", buf); sprintf(buf, "justif: "%10s"n", "right"); printf("%s", buf); sprintf(buf, " 3: %04d zero paddedn", 3); printf("%s", buf); sprintf(buf, " 3: %-4d left justif.n", 3); printf("%s", buf); sprintf(buf, " 3: %4d right justif.n", 3); printf("%s", buf); sprintf(buf, "-3: %04d zero paddedn", -3); printf("%s", buf); sprintf(buf, "-3: %-4d left justif.n", -3); printf("%s", buf); sprintf(buf, "-3: %4d right justif.n", -3); printf("%s", buf); return 0; }栈计算
每个任务都独立维护自己的栈空间， 任务栈空间总量在任务创建时进行设定。uxTaskGetStackHighWaterMark()主要用来查询指定任务的运行历史中， 其栈空间还差多少就要溢出。这个值被称为栈空间的High Water Mark。
函数原型：
UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark( TaskHandle_t xTask )想要使用它，需要将对应的宏定义打开：INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark
函数描述：
|参数|说明|
|–|–|
| xTask | 被查询任务的句柄如果传入 NULL 句柄，则任务查询的是自身栈空间的高水线 |
| 返回值| 任务栈空间的实际使用量会随着任务执行和中断处理过程上下浮动。uxTaskGetStackHighWaterMark()返回从任务启动执行开始的运行历史中，栈空间具有的最小剩余量。这个值即是栈空间使用达到最深时的剩下的未使用的栈空间。这个值越是接近 0，则这个任务就越是离栈溢出不远。|
如果不知道怎么计算任务栈大小，就使用这个函数进行统计一下，然后将任务运行时最大的栈空间作为任务栈空间的80%大小即可。即假设统计得到的任务栈大小为常量 A ，那么在创建线程的时候需要 X 大小的空间，那么 X * 80% = A，算到的 X 作为任务栈大小就差不多了。
运行时栈检测
FreeRTOS 包含两种运行时栈j检测机制，由 FreeRTOSConfig.h 中的配置常量configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 进行控制。这两种方式都会增加上下切换开销。
栈溢出钩子函数(或称回调函数)由内核在j检测到栈溢出时调用。要使用栈溢出钩子函数，需要进行以下配置：
- 在 FreeRTOSConfig.h 中把 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设为 1 或者 2 。
- 提供钩子函数的具体实现，采用下面所示的函数名和函数原型。
void vApplicationStackOverflowHook( xTaskHandle *pxTask, signed portCHAR *pcTaskName );补充说明：
- 栈溢出钩子函数只是为了使跟踪调试栈空间错误更容易，而无法在栈溢出时对其进行恢复。函数的入口参数传入了任务句柄和任务名，但任务名很可能在溢出时已经遭到破坏。
- 栈溢出钩子函数还可以在中断的上下文中进行调用
- 某些微控制器在检测到内存访问错误时会产生错误异常，很可能在内核调用栈溢出钩子函数之前就触发了错误异常中断。
方法1
当 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设置为 1 时选用方法 1。
任务被交换出去的时候，该任务的整个上下文被保存到它自己的栈空间中。这时任务栈的使用应当达到了一个峰值。当 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设为1 时，内核会在任务上下文保存后检查栈指针是否还指向有效栈空间。一旦检测到栈指针的指向已经超出任务栈的有效范围，栈溢出钩子函数就会被调用。
方法 1 具有较快的执行速度，但栈溢出有可能发生在两次上下文保存之间，这种情况不会被检测到，因为这种检测方式仅在任务切换中检测。
方法2
将 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设为 2 就可以选用方法 2。方法 2在方法 1 的基础上进行了一些补充。
当创建任务时，任务栈空间中就预置了一个标记。方法 2 会检查任务栈的最后 20个字节的数据，查看预置在这里的标记数据是否被覆盖。如果最后 20 个字节的标记数据与预设值不同，则栈溢出钩子函数就会被调用。
方法 2 没有方法 1 的执行速度快，但测试仅仅 20 个字节相对来说也是很快的。这种方法应该可以j检测到任何时候发生的栈溢出，虽然理论上还是有可能漏掉一些情况，但这些情况几乎是不可能发生的。
其它常见错误
在一个 Demo 应用程序中增加了一个简单的任务，导致应用程序崩溃
可能的情况：
- 任务创建时需要在内存堆中分配空间。许多 Demo 应用程序定义的堆空间大小只够用于创建 Demo 任务——所以当任务创建完成后，就没有足够的剩余空间来增加其它的任务，队列或信号量。
- 空闲任务是在
vTaskStartScheduler()调用中自动创建的。如果由于内存不足而无法创建空闲任务，vTaskStartScheduler()会直接返回。所以一般在调用vTaskStartScheduler()后加上一条空循环for(;;) / while(1)可以使这种错误更加容易调试。
如果要添加更多的任务，可以增加内存堆空间大小（修改配置文件），或是删掉一些已存在的 Demo任务。
在中断中调用一个 API 函数，导致应用程序崩溃
需要做的第一件事是检查中断是否导致了栈溢出。
然后检查API接口是否正确，除了具有后缀为FromISR函数名的 API 函数，千万不要在中断服务程序中调用其它 API 函数。
除此之外，还需要注意中断的优先级：
FreeRTOSConfig.h文件中可以配置系统可管理的最高中断优先级数值，宏定义configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY是用于配置basepri寄存器的，当basepri设置为某个值的时候，会让系统不响应比该优先级低的中断，而优先级比之更高的中断则不受影响。就是说当这个宏定义配置为5的时候，中断优先级数值在0、1、2、3、4的这些中断是不受FreeRTOS管理的，不可被屏蔽，同时也不能调用FreeRTOS中的API函数接口，而中断优先级在5到15的这些中断是受到系统管理，可以被屏蔽的，也可以调用FreeRTOS中的API函数接口。
临界区无法正确嵌套
除了 taskENTER_CRITICA()和 taskEXIT_CRITICAL()，千万不要在其它地方修改控制器的中断使能位或优先级标志。这两个宏维护了一个嵌套深度计数，所以只有当所有的嵌套调用都退出后计数值才会为 0，也才会使能中断。
在调度器启动前应用程序就崩溃了
这个问题我也会遇到，如果一个中断会产生上下文切换，则这个中断不能在调度器启动之前使能。这同样适用于那些需要读写队列或信号量的中断。在调度器启动之前，不能进行上下文切换。
还有一些 API 函数不能在调度器启动之前调用。在调用 vTaskStartScheduler()之前，最好是限定只使用创建任务，队列和信号量的 API 函数。
比如有一些初始化需要中断的，或者在初始化完成的时候回产生一个中断，这些驱动的初始化最好放在一个任务中进行，我是这样子处理的，在main函数中创建一个任务，在任务中进行bsp初始化，然后再创建消息队列、信号量、互斥量、事件以及任务等操作。
在调度器挂起时调用 API 函数，导致应用程序崩溃
调用 vTaskSuspendAll()使得调度器挂起，而唤醒调度器调用 xTaskResumeAll()。千万不要在调度器挂起时调用其它 API 函数。
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