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杰杰 · 2019年10月15日

FreeRTOS优化与错误排查方法

IoT嵌入式系统LinuxC网络

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“FreeRTOSv9.0.0\FreeRTOS-Plus\Demo\FreeRTOS_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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