FreeRTOS优化与错误排查方法

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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 == '\0') 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] = '\0';
                pc += prints (out, scr, width, pad);
                continue;
            }
        }
        else {
        out:
            printchar (out, *format);
            ++pc;
        }
    }
    if (out) **out = '\0';
    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("%s\n", ptr);
    printf("printf test\n");
    printf("%s is null pointer\n", np);
    printf("%d = 5\n", i);
    printf("%d = - max int\n", mi);
    printf("char %c ='a'\n", 'a');
    printf("hex %x = ff\n", 0xff);
    printf("hex %02x = 00\n", 0);
    printf("signed %d = unsigned %u = hex %x\n", -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 padded\n", 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 padded\n", -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：

  1. 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。
  2. 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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正文完
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2019-10-15
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