使用RTOS時(shí)問(wèn)題如何檢測(cè)和糾正

基于 RTOS 的問(wèn)題

在本節(jié)中，我們將探討開(kāi)發(fā)人員在使用 RTOS 時(shí)遇到的一些常見(jiàn)問(wèn)題，并展示如何檢測(cè)和糾正這些問(wèn)題。

堆棧溢出：

在基于內(nèi)核的應(yīng)用程序中，每個(gè)任務(wù)都需要自己的堆棧。任務(wù)所需的堆棧大小是特定于應(yīng)用程序的。 如果使堆棧大于任務(wù)所需，則會(huì)浪費(fèi)內(nèi)存。如果堆棧太小，您的應(yīng)用程序很可能會(huì)覆蓋應(yīng)用程序變量或另一個(gè)任務(wù)的堆棧。堆棧區(qū)域外的任何寫(xiě)入都稱為堆棧溢出。當(dāng)然，在這兩種選擇之間，為堆棧過(guò)度分配內(nèi)存比分配不足要好。因此，您可以通過(guò)過(guò)度分配內(nèi)存來(lái)減少堆棧溢出的機(jī)會(huì)。但是，通常只需要 25-50% 的額外堆棧空間。一些 CPU，例如基于 ARMv8M 架構(gòu)的 CPU，具有內(nèi)置的堆棧溢出檢測(cè)功能。但是，該功能無(wú)助于確定正確的堆棧大小。它只是防止堆棧溢出的負(fù)面后果。

參考文獻(xiàn)［1］解釋了如何確定每個(gè)任務(wù)堆棧的大小。簡(jiǎn)而言之，您通過(guò)為任務(wù)堆棧過(guò)度分配空間來(lái)開(kāi)始您的設(shè)計(jì)，然后在已知的最壞情況下運(yùn)行您的應(yīng)用程序，同時(shí)監(jiān)控實(shí)際的堆棧使用情況。

下圖是 μC/Probe 對(duì)一個(gè)測(cè)試應(yīng)用的內(nèi)核感知的截圖。Stack Usage列顯示每個(gè)任務(wù)在任何給定時(shí)間的最大堆棧使用量的條形圖。雖然截取了屏幕截圖，但 μC/Probe 會(huì)實(shí)時(shí)更新并顯示此信息，因此您無(wú)需停止目標(biāo)即可查看此信息，因?yàn)樗诟隆?/p>

綠色表示最大堆棧使用率一直保持在 70% 以下。

黃色表示堆棧使用率介于 70% 和 90% 之間。

紅色表示堆棧使用率已超過(guò) 90%。

顯然，應(yīng)該增加使用 92% 的任務(wù)的堆棧，使其回到 70% 范圍以下。黃色的任務(wù)堆棧是空閑任務(wù)，在 77% 的情況下，它通常不會(huì)成為問(wèn)題，除非您將代碼添加到空閑任務(wù)回調(diào)函數(shù)（這取決于您使用的 RTOS）。

中斷響應(yīng)：

在操作內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（即臨界區(qū)）時(shí)，RTOS 和應(yīng)用程序代碼通常必須禁用中斷。RTOS 開(kāi)發(fā)人員盡一切努力減少中斷禁用時(shí)間，因?yàn)樗鼤?huì)影響系統(tǒng)對(duì)事件的響應(yīng)。

一些 RTOS 實(shí)際上基于每個(gè)任務(wù)測(cè)量最壞情況下的中斷禁用時(shí)間，如下面的 μC/Probe 屏幕截圖所示。如果您試圖滿足實(shí)時(shí)截止日期，則此信息非常寶貴。

中斷被禁用的時(shí)間很大程度上取決于 CPU、它的時(shí)鐘頻率、您的應(yīng)用程序和被調(diào)用的 RTOS 服務(wù)。禁用中斷時(shí)間最長(zhǎng)的任務(wù)以紅色突出顯示。這使您可以快速識(shí)別潛在的異常值，尤其是在大型和復(fù)雜的應(yīng)用程序中。

如果最大的中斷禁用時(shí)間是由 RTOS 引起的，那么您可能無(wú)能為力，除非：

查找中斷禁用時(shí)間較短的備用 RTOS API。例如，如果您只是向任務(wù)發(fā)出信號(hào)以指示事件發(fā)生，那么您可以簡(jiǎn)單地掛起/恢復(fù)任務(wù)，而不是使用信號(hào)量或事件標(biāo)志。換句話說(shuō)，等待事件的任務(wù)會(huì)自行掛起，而發(fā)出事件信號(hào)的 ISR 會(huì)恢復(fù)任務(wù)。

提高 CPU 的時(shí)鐘頻率。不幸的是，這很少是一種選擇，因?yàn)槠渌蛩乜赡芤呀?jīng)決定了理想的 CPU 時(shí)鐘頻率。

使用非內(nèi)核感知中斷來(lái)處理對(duì)時(shí)間高度敏感的代碼。

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)：

當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級(jí)任務(wù)擁有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)所需的資源時(shí)，就會(huì)發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。當(dāng)中等優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)同時(shí)持有資源時(shí)，問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重。術(shù)語(yǔ)“優(yōu)先級(jí)倒置”指的是低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的行為就好像它比高優(yōu)先級(jí)任務(wù)具有更高的優(yōu)先級(jí)，至少在共享該資源時(shí)是這樣。

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的一個(gè)問(wèn)題，并且在使用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式內(nèi)核時(shí)會(huì)發(fā)生（大多數(shù) RTOS 都是搶占式的）。如下圖所示，SystemView 用于說(shuō)明優(yōu)先級(jí)倒置的場(chǎng)景。

App HPT（High Priority Task）優(yōu)先級(jí)最高

App MPT （Medium Priority Task） 具有中等優(yōu)先級(jí)

App LPT （低優(yōu)先級(jí)任務(wù)）的優(yōu)先級(jí)最低

1 - LPT 是唯一可以運(yùn)行的任務(wù)，因此它獲取 CPU 并獲取信號(hào)量以訪問(wèn)共享資源。

2 -為了模擬優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的發(fā)生，LPT 使 HPT 準(zhǔn)備好運(yùn)行，因此 RTOS 上下文切換到 HPT。

3 - HPT 使 MPT 準(zhǔn)備好運(yùn)行但繼續(xù)執(zhí)行，因?yàn)?HPT 仍然具有更高的優(yōu)先級(jí)。

4 - HPT 需要訪問(wèn)共享資源并嘗試獲取信號(hào)量。但是，由于信號(hào)量歸 LPT 所有，HPT 無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行，因此 RTOS 切換到 MPT。

5 - MPT 一直執(zhí)行，直到它需要等待其事件再次發(fā)生，以便 RTOS 切換回 LPT。

6 - LPT 完成對(duì)共享資源的使用，因此它釋放信號(hào)量。此時(shí)，RTOS 注意到 HPT 正在等待資源，因此將信號(hào)量提供給 HPT 并使其準(zhǔn)備好運(yùn)行。HPT 恢復(fù)執(zhí)行并執(zhí)行它需要對(duì)共享資源執(zhí)行的任何操作。

7 - 一旦 HPT 完成對(duì)資源的訪問(wèn)，它就會(huì)釋放信號(hào)量，然后等待其事件再次發(fā)生（在這種情況下，我們通過(guò)自掛起模擬了這一點(diǎn)）。

8 - LPT 恢復(fù)執(zhí)行，因?yàn)槠渌麅蓚€(gè)任務(wù)都沒(méi)有準(zhǔn)備好運(yùn)行。

9 -發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是因?yàn)?LPT 擁有 HPT 需要的資源。但是，當(dāng)中等優(yōu)先級(jí)任務(wù)進(jìn)一步延遲 LPT 釋放信號(hào)量時(shí)，問(wèn)題會(huì)變得更糟。

您可以通過(guò)使用稱為 Mutex（互斥信號(hào)量）的特殊 RTOS 機(jī)制來(lái)解決上述優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。下圖顯示了相同的場(chǎng)景，除了這里 LPT 和 HPT 都使用互斥鎖而不是信號(hào)量來(lái)訪問(wèn)共享資源。

1 - LPT 是唯一可以運(yùn)行的任務(wù)，因此它獲取 CPU 并獲取互斥體以訪問(wèn)共享資源。

2 - 為了模擬優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的發(fā)生，LPT 使 HPT 準(zhǔn)備好運(yùn)行，因此 RTOS 上下文切換到 HPT。

3 - HPT 使 MPT 準(zhǔn)備好運(yùn)行但繼續(xù)執(zhí)行，因?yàn)?HPT 仍然具有更高的優(yōu)先級(jí)。

4 - HPT 需要訪問(wèn)共享資源并嘗試獲取互斥鎖。但是，由于互斥鎖歸 LPT 所有，因此 HPT 無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。但是，由于使用了互斥體，RTOS 會(huì)將 LPT 的優(yōu)先級(jí)提高到 HPT 的優(yōu)先級(jí)，以防止它被中等優(yōu)先級(jí)搶占。

5 - 然后 RTOS 切換到 LPT，它現(xiàn)在以與 HPT 相同的優(yōu)先級(jí)運(yùn)行。

6 - LPT 完成對(duì)共享資源的使用，因此它釋放互斥鎖。RTOS 將 LPT 的優(yōu)先級(jí)降低回其原始（較低）優(yōu)先級(jí)，并將互斥鎖分配給 HPT。

7 - RTOS 切換回 HPT，因?yàn)樗诘却尫呕コ怄i。一旦完成，HPT 就會(huì)釋放互斥鎖。

8 - 一旦 HPT 完成其工作的執(zhí)行，它就會(huì)等待它正在等待的事件的再次發(fā)生。

9 - RTOS 切換到在就緒隊(duì)列中等待的 MPT。

10 -當(dāng) MPT 完成它的工作時(shí)，它還掛起將導(dǎo)致該任務(wù)再次執(zhí)行的事件。

11 - LPT 現(xiàn)在可以恢復(fù)執(zhí)行。

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)在受限于 LPT 訪問(wèn)共享資源所需的時(shí)間量。如果沒(méi)有像 SystemView 這樣的工具，優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)將很難識(shí)別和糾正。

請(qǐng)注意，如果 LPT 僅比 HPT 低一個(gè)優(yōu)先級(jí)，則可以使用信號(hào)量。在這種情況下，信號(hào)量是首選，因?yàn)樗然コ怄i更快，因?yàn)?RTOS 不需要更改 LPT 的優(yōu)先級(jí)。

審核編輯：郭婷