FreeRTOS優(yōu)化與錯誤排查方法有哪些

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。這里把最主要的篇幅放在棧溢出以及棧溢出檢測上，因為棧相關(guān)的問題是初學者遇到最多的問題。

printf-stdarg.c

當調(diào)用 C 標準庫 的函數(shù)時，棧空間使用量可能會急劇上升，特別是 IO 與字符串處理函數(shù)，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(xiàn)了一個棧效率優(yōu)化版的小型 sprintf()、printf()，可以用來代替標準 C 庫函數(shù)版本。在大多數(shù)情況下，這樣做可以使得調(diào)用 sprintf()及相關(guān)函數(shù)的任務(wù)對?？臻g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(fā)布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(yōu)化不少空間。

該文件源碼（部分）：

1static int print( char **out, const char *format, va_list args )
 2{
 3    register int width, pad;
 4    register int pc = 0;
 5    char scr[2];
 6
 7    for (; *format != 0; ++format) {
 8        if (*format == '%') {
 9            ++format;
10            width = pad = 0;
11            if (*format == '\\0') break;
12            if (*format == '%') goto out;
13            if (*format == '-') {
14                ++format;
15                pad = PAD_RIGHT;
16            }
17            while (*format == '0') {
18                ++format;
19                pad |= PAD_ZERO;
20            }
21            for ( ; *format >= '0' && *format <= '9'; ++format) {
22                width *= 10;
23                width += *format - '0';
24            }
25            if( *format == 's' ) {
26                register char *s = (char *)va_arg( args, int );
27                pc += prints (out, s?s:"(null)", width, pad);
28                continue;
29            }
30            if( *format == 'd' || *format == 'i' ) {
31                pc += printi (out, va_arg( args, int ), 10, 1, width, pad, 'a');
32                continue;
33            }
34            if( *format == 'x' ) {
35                pc += printi (out, va_arg( args, int ), 16, 0, width, pad, 'a');
36                continue;
37            }
38            if( *format == 'X' ) {
39                pc += printi (out, va_arg( args, int ), 16, 0, width, pad, 'A');
40                continue;
41            }
42            if( *format == 'u' ) {
43                pc += printi (out, va_arg( args, int ), 10, 0, width, pad, 'a');
44                continue;
45            }
46            if( *format == 'c' ) {
47                /* char are converted to int then pushed on the stack */
48                scr[0] = (char)va_arg( args, int );
49                scr[1] = '\\0';
50                pc += prints (out, scr, width, pad);
51                continue;
52            }
53        }
54        else {
55        out:
56            printchar (out, *format);
57            ++pc;
58        }
59    }
60    if (out) **out = '\\0';
61    va_end( args );
62    return pc;
63}
64
65int printf(const char *format, ...)
66{
67    va_list args;
68
69    va_start( args, format );
70    return print( 0, format, args );
71}
72
73int sprintf(char *out, const char *format, ...)
74{
75    va_list args;
76
77    va_start( args, format );
78    return print( &out, format, args );
79}
80
81
82int snprintf( char *buf, unsigned int count, const char *format, ... )
83{
84    va_list args;
85
86    ( void ) count;
87
88    va_start( args, format );
89    return print( &buf, format, args );
90}

使用的例子與 C 標準庫基本一樣：

1int main(void)
 2{
 3    char *ptr = "Hello world!";
 4    char *np = 0;
 5    int i = 5;
 6    unsigned int bs = sizeof(int)*8;
 7    int mi;
 8    char buf[80];
 9
10    mi = (1 << (bs-1)) + 1;
11    printf("%s\\n", ptr);
12    printf("printf test\\n");
13    printf("%s is null pointer\\n", np);
14    printf("%d = 5\\n", i);
15    printf("%d = - max int\\n", mi);
16    printf("char %c = 'a'\\n", 'a');
17    printf("hex %x = ff\\n", 0xff);
18    printf("hex %02x = 00\\n", 0);
19    printf("signed %d = unsigned %u = hex %x\\n", -3, -3, -3);
20    printf("%d %s(s)%", 0, "message");
21    printf("\\n");
22    printf("%d %s(s) with %%\\n", 0, "message");
23    sprintf(buf, "justif: \\"%-10s\"\\n", "left"); printf("%s", buf);
24    sprintf(buf, "justif: \"%10s\"\\n", "right"); printf("%s", buf);
25    sprintf(buf, " 3: %04d zero padded\\n", 3); printf("%s", buf);
26    sprintf(buf, " 3: %-4d left justif.\\n", 3); printf("%s", buf);
27    sprintf(buf, " 3: %4d right justif.\\n", 3); printf("%s", buf);
28    sprintf(buf, "-3: %04d zero padded\\n", -3); printf("%s", buf);
29    sprintf(buf, "-3: %-4d left justif.\\n", -3); printf("%s", buf);
30    sprintf(buf, "-3: %4d right justif.\\n", -3); printf("%s", buf);
31
32    return 0;
33}

棧計算

每個任務(wù)都獨立維護自己的?？臻g， 任務(wù)?？臻g總量在任務(wù)創(chuàng)建時進行設(shè)定。uxTaskGetStackHighWaterMark()主要用來查詢指定任務(wù)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(shù)原型：

1UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark( TaskHandle_t xTask )

想要使用它，需要將對應(yīng)的宏定義打開：INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark

函數(shù)描述：

如果不知道怎么計算任務(wù)棧大小，就使用這個函數(shù)進行統(tǒng)計一下，然后將任務(wù)運行時最大的?？臻g作為任務(wù)?？臻g的80%大小即可。即假設(shè)統(tǒng)計得到的任務(wù)棧大小為常量 A ，那么在創(chuàng)建線程的時候需要 X 大小的空間，那么 X * 80% = A ，算到的 X 作為任務(wù)棧大小就差不多了。

運行時棧檢測

FreeRTOS 包含兩種運行時棧檢測機制，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(shù)(或稱回調(diào)函數(shù))由內(nèi)核在檢測到棧溢出時調(diào)用。要使用棧溢出鉤子函數(shù)，需要進行以下配置：

• 在 FreeRTOSConfig.h 中把 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設(shè)為 1 或者 2 。
• 提供鉤子函數(shù)的具體實現(xiàn)，采用下面所示的函數(shù)名和函數(shù)原型。

1void vApplicationStackOverflowHook( xTaskHandle *pxTask, signed portCHAR *pcTaskName );

補充說明：

• 棧溢出鉤子函數(shù)只是為了使跟蹤調(diào)試?？臻g錯誤更容易，而無法在棧溢出時對其進行恢復(fù)。函數(shù)的入口參數(shù)傳入了任務(wù)句柄和任務(wù)名，但任務(wù)名很可能在溢出時已經(jīng)遭到破壞。
• 棧溢出鉤子函數(shù)還可以在中斷的上下文中進行調(diào)用
• 某些微控制器在檢測到內(nèi)存訪問錯誤時會產(chǎn)生錯誤異常，很可能在內(nèi)核調(diào)用棧溢出鉤子函數(shù)之前就觸發(fā)了錯誤異常中斷。

方法1

當 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設(shè)置為 1 時選用方法 1 。

任務(wù)被交換出去的時候，該任務(wù)的整個上下文被保存到它自己的?？臻g中。這時任務(wù)棧的使用應(yīng)當達到了一個峰值。當 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設(shè)為1 時，內(nèi)核會在任務(wù)上下文保存后檢查棧指針是否還指向有效?？臻g。一旦檢測到棧指針的指向已經(jīng)超出任務(wù)棧的有效范圍，棧溢出鉤子函數(shù)就會被調(diào)用。

方法 1 具有較快的執(zhí)行速度，但棧溢出有可能發(fā)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(wù)切換中檢測。

方法2

將 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設(shè)為 2 就可以選用方法 2 。方法 2在方法 1 的基礎(chǔ)上進行了一些補充。

當創(chuàng)建任務(wù)時，任務(wù)?？臻g中就預(yù)置了一個標記。方法 2 會檢查任務(wù)棧的最后 20個字節(jié)的數(shù)據(jù)，查看預(yù)置在這里的標記數(shù)據(jù)是否被覆蓋。如果最后 20 個字節(jié)的標記數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值不同，則棧溢出鉤子函數(shù)就會被調(diào)用。

方法 2 沒有方法 1 的執(zhí)行速度快，但測試僅僅 20 個字節(jié)相對來說也是很快的。這種方法應(yīng)該可以檢測到任何時候發(fā)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(fā)生的。

其它常見錯誤

在一個 Demo 應(yīng)用程序中增加了一個簡單的任務(wù)，導致應(yīng)用程序崩潰

可能的情況：

1. 任務(wù)創(chuàng)建時需要在內(nèi)存堆中分配空間。許多 Demo 應(yīng)用程序定義的堆空間大小只夠用于創(chuàng)建 Demo 任務(wù)——所以當任務(wù)創(chuàng)建完成后，就沒有足夠的剩余空間來增加其它的 任務(wù)，隊列或信號量 。

2. 空閑任務(wù)是在 vTaskStartScheduler()調(diào)用中自動創(chuàng)建的。如果由于內(nèi)存不足而無法創(chuàng)建空閑任務(wù)，vTaskStartScheduler()會直接返回。所以一般在調(diào)用 vTaskStartScheduler()后加上一條空循環(huán)for(;;) / while(1)可以使這種錯誤更加容易調(diào)試。

   如果要添加更多的任務(wù)，可以增加內(nèi)存堆空間大?。ㄐ薷呐渲梦募蚴莿h掉一些已存在的 Demo任務(wù)。

在中斷中調(diào)用一個 API 函數(shù)，導致應(yīng)用程序崩潰

需要做的第一件事是檢查中斷是否導致了棧溢出。

然后檢查API接口是否正確 ，除了具有后綴為FromISR函數(shù)名的 API 函數(shù)，千萬不要在中斷服務(wù)程序中調(diào)用其它 API 函數(shù)。

除此之外，還需要注意中斷的優(yōu)先級：

FreeRTOSConfig.h文件中可以配置系統(tǒng)可管理的最高中斷優(yōu)先級數(shù)值，宏定義configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY是用于配置basepri寄存器的，當basepri設(shè)置為某個值的時候，會讓系統(tǒng)不響應(yīng)比該優(yōu)先級低的中斷，而優(yōu)先級比之更高的中斷則不受影響。就是說當這個宏定義配置為5的時候，中斷優(yōu)先級數(shù)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(diào)用FreeRTOS中的API函數(shù)接口 ，而中斷優(yōu)先級在5到15的這些中斷是受到系統(tǒng)管理，可以被屏蔽的，也可以調(diào)用FreeRTOS中的API函數(shù)接口。

臨界區(qū)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(yōu)先級標志。這兩個宏維護了一個嵌套深度計數(shù)，所以只有當所有的嵌套調(diào)用都退出后計數(shù)值才會為 0，也才會使能中斷。

在調(diào)度器啟動前應(yīng)用程序就崩潰了

這個問題我也會遇到，如果一個中斷會產(chǎn)生上下文切換，則這個中斷不能在調(diào)度器啟動之前使能。這同樣適用于那些需要讀寫隊列或信號量的中斷。在調(diào)度器啟動之前，不能進行上下文切換。

還有一些 API 函數(shù)不能在調(diào)度器啟動之前調(diào)用。在調(diào)用 vTaskStartScheduler()之前，最好是限定只使用創(chuàng)建任務(wù)，隊列和信號量的 API 函數(shù)。

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(chǎn)生一個中斷，這些驅(qū)動的初始化最好放在一個任務(wù)中進行，我是這樣子處理的，在main函數(shù)中創(chuàng)建一個任務(wù)，在任務(wù)中進行bsp初始化，然后再創(chuàng)建消息隊列、信號量、互斥量、事件以及任務(wù)等操作。

在調(diào)度器掛起時調(diào)用 API 函數(shù)，導致應(yīng)用程序崩潰

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