FreeRTOS優化與錯誤排查方法

来源:https://www.cnblogs.com/iot-dev/archive/2019/10/15/11681039.html
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寫在前面 主要是為剛接觸 FreeRTOS 的用戶指出那些新手通常容易遇到的問題。這裡把最主要的篇幅放在棧溢出以及棧溢出j檢測上，因為棧相關的問題是初學者遇到最多的問題。 printf stdarg.c 當調用 C 標準庫 的函數時，棧空間使用量可能會急劇上升，特別是 IO 與字元串處理函數，比如 ...


寫在前面

主要是為剛接觸 FreeRTOS 的用戶指出那些新手通常容易遇到的問題。這裡把最主要的篇幅放在棧溢出以及棧溢出j檢測上，因為棧相關的問題是初學者遇到最多的問題。

printf-stdarg.c

當調用 C 標準庫 的函數時，棧空間使用量可能會急劇上升，特別是 IO 與字元串處理函數，比如 sprintf()、printf()等。在 FreeRTOS 源碼包中有一個名為 printf-stdarg.c 的文件。這個文件實現了一個棧效率優化版的小型 sprintf()、printf()，可以用來代替標準 C 庫函數版本。在大多數情況下，這樣做可以使得調用 sprintf()及相關函數的任務對棧空間的需求量小很多。
可能很多人都不知道freertos中有這樣子的一個文件，它放在第三方資料中，路徑為“FreeRTOSv9.0.0\FreeRTOS-Plus\Demo\FreeRTOS_Plus_UDP_and_CLI_LPC1830_GCC”，我們發佈工程的時候就無需依賴 C 標準庫，這樣子就能減少棧的使用，能優化不少空間。
該文件源碼（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 );
}

使用的例子與 C 標準庫基本一樣：

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;
}

棧計算

每個任務都獨立維護自己的棧空間， 任務棧空間總量在任務創建時進行設定。uxTaskGetStackHighWaterMark()主要用來查詢指定任務的運行歷史中， 其棧空間還差多少就要溢出。這個值被稱為棧空間的High Water Mark。
函數原型：

UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark( TaskHandle_t xTask )

想要使用它，需要將對應的巨集定義打開：INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark

函數描述：
|參數|說明|
|--|--|
| xTask | 被查詢任務的句柄如果傳入 NULL 句柄，則任務查詢的是自身棧空間的高水線 |
| 返回值| 任務棧空間的實際使用量會隨著任務執行和中斷處理過程上下浮動。uxTaskGetStackHighWaterMark()返回從任務啟動執行開始的運行歷史中，棧空間具有的最小剩餘量。這個值即是棧空間使用達到最深時的剩下的未使用的棧空間。這個值越是接近 0，則這個任務就越是離棧溢出不遠。|

如果不知道怎麼計算任務棧大小，就使用這個函數進行統計一下，然後將任務運行時最大的棧空間作為任務棧空間的80%大小即可。即假設統計得到的任務棧大小為常量 A ，那麼在創建線程的時候需要 X 大小的空間，那麼 X * 80% = A，算到的 X 作為任務棧大小就差不多了。

運行時棧檢測

FreeRTOS 包含兩種運行時棧j檢測機制，由 FreeRTOSConfig.h 中的配置常量configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 進行控制。這兩種方式都會增加上下切換開銷。

棧溢出鉤子函數(或稱回調函數)由內核在j檢測到棧溢出時調用。要使用棧溢出鉤子函數，需要進行以下配置：

  • 在 FreeRTOSConfig.h 中把 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設為 1 或者 2 。
  • 提供鉤子函數的具體實現，採用下麵所示的函數名和函數原型。
void vApplicationStackOverflowHook( xTaskHandle *pxTask, signed portCHAR *pcTaskName );

補充說明：

  • 棧溢出鉤子函數只是為了使跟蹤調試棧空間錯誤更容易，而無法在棧溢出時對其進行恢復。函數的入口參數傳入了任務句柄和任務名，但任務名很可能在溢出時已經遭到破壞。
  • 棧溢出鉤子函數還可以在中斷的上下文中進行調用
  • 某些微控制器在檢測到記憶體訪問錯誤時會產生錯誤異常，很可能在內核調用棧溢出鉤子函數之前就觸發了錯誤異常中斷。

方法1

當 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設置為 1 時選用方法 1。
任務被交換出去的時候，該任務的整個上下文被保存到它自己的棧空間中。這時任務棧的使用應當達到了一個峰值。當 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設為1 時，內核會在任務上下文保存後檢查棧指針是否還指向有效棧空間。一旦檢測到棧指針的指向已經超出任務棧的有效範圍，棧溢出鉤子函數就會被調用。
方法 1 具有較快的執行速度，但棧溢出有可能發生在兩次上下文保存之間，這種情況不會被檢測到，因為這種檢測方式僅在任務切換中檢測。

方法2

將 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設為 2 就可以選用方法 2。方法 2在方法 1 的基礎上進行了一些補充。
當創建任務時，任務棧空間中就預置了一個標記。方法 2 會檢查任務棧的最後 20個位元組的數據，查看預置在這裡的標記數據是否被覆蓋。如果最後 20 個位元組的標記數據與預設值不同，則棧溢出鉤子函數就會被調用。
方法 2 沒有方法 1 的執行速度快，但測試僅僅 20 個位元組相對來說也是很快的。這種方法應該可以j檢測到任何時候發生的棧溢出，雖然理論上還是有可能漏掉一些情況，但這些情況幾乎是不可能發生的。

其它常見錯誤

在一個 Demo 應用程式中增加了一個簡單的任務，導致應用程式崩潰

可能的情況：

  1. 任務創建時需要在記憶體堆中分配空間。許多 Demo 應用程式定義的堆空間大小隻夠用於創建 Demo 任務——所以當任務創建完成後，就沒有足夠的剩餘空間來增加其它的任務，隊列或信號量。
  2. 空閑任務是在 vTaskStartScheduler()調用中自動創建的。如果由於記憶體不足而無法創建空閑任務，vTaskStartScheduler()會直接返回。所以一般在調用 vTaskStartScheduler()後加上一條空迴圈for(;;) / while(1)可以使這種錯誤更加容易調試。
    如果要添加更多的任務，可以增加記憶體堆空間大小（修改配置文件），或是刪掉一些已存在的 Demo任務。

在中斷中調用一個 API 函數，導致應用程式崩潰

需要做的第一件事是檢查中斷是否導致了棧溢出。

然後檢查API介面是否正確，除了具有尾碼為FromISR函數名的 API 函數，千萬不要在中斷服務程式中調用其它 API 函數。

除此之外，還需要註意中斷的優先順序：
FreeRTOSConfig.h文件中可以配置系統可管理的最高中斷優先順序數值，巨集定義configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY是用於配置basepri寄存器的，當basepri設置為某個值的時候，會讓系統不響應比該優先順序低的中斷，而優先順序比之更高的中斷則不受影響。就是說當這個巨集定義配置為5的時候，中斷優先順序數值在0、1、2、3、4的這些中斷是不受FreeRTOS管理的，不可被屏蔽，同時也不能調用FreeRTOS中的API函數介面，而中斷優先順序在5到15的這些中斷是受到系統管理，可以被屏蔽的，也可以調用FreeRTOS中的API函數介面。

臨界區無法正確嵌套

除了 taskENTER_CRITICA()和 taskEXIT_CRITICAL()，千萬不要在其它地方修改控制器的中斷使能位或優先順序標誌。這兩個巨集維護了一個嵌套深度計數，所以只有當所有的嵌套調用都退出後計數值才會為 0，也才會使能中斷。

在調度器啟動前應用程式就崩潰了

這個問題我也會遇到，如果一個中斷會產生上下文切換，則這個中斷不能在調度器啟動之前使能。這同樣適用於那些需要讀寫隊列或信號量的中斷。在調度器啟動之前，不能進行上下文切換。
還有一些 API 函數不能在調度器啟動之前調用。在調用 vTaskStartScheduler()之前，最好是限定只使用創建任務，隊列和信號量的 API 函數。
比如有一些初始化需要中斷的，或者在初始化完成的時候回產生一個中斷，這些驅動的初始化最好放在一個任務中進行，我是這樣子處理的，在main函數中創建一個任務，在任務中進行bsp初始化，然後再創建消息隊列、信號量、互斥量、事件以及任務等操作。

在調度器掛起時調用 API 函數，導致應用程式崩潰

調用 vTaskSuspendAll()使得調度器掛起，而喚醒調度器調用 xTaskResumeAll()。千萬不要在調度器掛起時調用其它 API 函數。

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