FreeRTOS優化與錯誤排查方法

時間  2019-11-08
標籤 freertos 優化 錯誤 排查 方法 简体版
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寫在前面

主要是爲剛接觸 FreeRTOS 的用戶指出那些新手一般容易遇到的問題。這裏把最主要的篇幅放在棧溢出以及棧溢出j檢測上，由於棧相關的問題是初學者遇到最多的問題。函數

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 與字符串處理函數，好比 sprintf()、printf()等。在 FreeRTOS 源碼包中有一個名爲 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()，能夠用來代替標準 C 庫函數版本。在大多數狀況下，這樣作可使得調用 sprintf()及相關函數的任務對棧空間的需求量小不少。可能不少人都不知道freertos中有這樣子的一個文件，它放在第三方資料中，路徑爲「FreeRTOSv9.0.0FreeRTOS-PlusDemoFreeRTOSPlusUDPandCLILPC1830GCC」，咱們發佈工程的時候就無需依賴 C 標準庫，這樣子就能減小棧的使用，能優化很多空間。該文件源碼（部分）：測試

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 );
}複製代碼

使用的例子與 C 標準庫基本同樣：優化

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;
}複製代碼

棧計算

每一個任務都獨立維護本身的棧空間， 任務棧空間總量在任務建立時進行設定。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。這個值被稱爲棧空間的High Water Mark。函數原型：spa

UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark( TaskHandle_t xTask )複製代碼

想要使用它，須要將對應的宏定義打開：INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark線程

函數描述：指針

參數 說明
xTask
 被查詢任務的句柄若是傳入 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着任務執行和中斷處理過程上下浮動。uxTaskGetStackHighWaterMark()返回從任務啓動執行開始的運行歷史中，棧空間具備的最小剩餘量。這個值便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。

若是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，而後將任務運行時最大的棧空間做爲任務棧空間的80%大小便可。即假設統計獲得的任務棧大小爲常量 A ，那麼在建立線程的時候須要 X 大小的空間，那麼 X * 80% = A，算到的 X 做爲任務棧大小就差很少了。調試

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configCHECKFORSTACK_OVERFLOW 進行控制。這兩種方式都會增長上下切換開銷。code

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，須要進行如下配置：orm

  • 在 FreeRTOSConfig.h 中把 configCHECKFORSTACK_OVERFLOW 設爲 **1** 或者 **2** 。
  • 提供鉤子函數的具體實現，採用下面所示的函數名和函數原型。 
void vApplicationStackOverflowHook( xTaskHandle *pxTask, signed portCHAR *pcTaskName );複製代碼

補充說明：cdn

  • 棧溢出鉤子函數只是爲了使跟蹤調試棧空間錯誤更容易，而沒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，但任務名極可能在溢出時已經遭到破壞。
  • 棧溢出鉤子函數還能夠在中斷的上下文中進行調用
  • 某些微控制器在檢測到內存訪問錯誤時會產生錯誤異常，極可能在內核調用棧溢出鉤子函數以前就觸發了錯誤異常中斷。

方法1

當 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設置爲 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本身的棧空間中。這時任務棧的使用應當達到了一個峯值。當 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設爲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 具備較快的執行速度，但棧溢出有可能發生在兩次上下文保存之間，這種狀況不會被檢測到，由於這種檢測方式僅在任務切換中檢測。

方法2

將 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設爲 2 就能夠選用方法 2。方法 2在方法 1 的基礎上進行了一些補充。當建立任務時，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個字節的數據，查看預置在這裏的標記數據是否被覆蓋。若是最後 20 個字節的標記數據與預設值不一樣，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 個字節相對來講也是很快的。這種方法應該能夠j檢測到任什麼時候候發生的棧溢出，雖然理論上仍是有可能漏掉一些狀況，但這些狀況幾乎是不可能發生的。

其它常見錯誤

在一個 Demo 應用程序中增長了一個簡單的任務，致使應用程序崩潰

可能的狀況：

  1. 任務建立時須要在內存堆中分配空間。許多 Demo 應用程序定義的堆空間大小隻夠用於建立 Demo 任務——因此當任務建立完成後，就沒有足夠的剩餘空間來增長其它的任務，隊列或信號量。
  2. 空閒任務是在 vTaskStartScheduler()調用中自動建立的。若是因爲內存不足而沒法建立空閒任務，vTaskStartScheduler()會直接返回。因此通常在調用 vTaskStartScheduler()後加上一條空循環for(;;) / while(1)可使這種錯誤更加容易調試。
    若是要添加更多的任務，能夠增長內存堆空間大小（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，致使應用程序崩潰

須要作的第一件事是檢查中斷是否致使了棧溢出。

而後檢查API接口是否正確，除了具備後綴爲FromISR函數名的 API 函數，千萬不要在中斷服務程序中調用其它 API 函數。

除此以外，還須要注意中斷的優先級：FreeRTOSConfig.h文件中能夠配置系統可管理的最高中斷優先級數值，宏定義configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY是用於配置basepri寄存器的，當basepri設置爲某個值的時候，會讓系統不響應比該優先級低的中斷，而優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爲5的時候，中斷優先級數值在0、一、二、三、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函數接口，而中斷優先級在5到15的這些中斷是受到系統管理，能夠被屏蔽的，也能夠調用FreeRTOS中的API函數接口。

臨界區沒法正確嵌套

除了 taskENTERCRITICA()和 taskEXITCRITICAL()，千萬不要在其它地方修改控制器的中斷使能位或優先級標誌。這兩個宏維護了一個嵌套深度計數，因此只有當全部的嵌套調用都退出後計數值纔會爲 0，也纔會使能中斷。

在調度器啓動前應用程序就崩潰了

這個問題我也會遇到，若是一箇中斷會產生上下文切換，則這個中斷不能在調度器啓動以前使能。這一樣適用於那些須要讀寫隊列或信號量的中斷。在調度器啓動以前，不能進行上下文切換。還有一些 API 函數不能在調度器啓動以前調用。在調用 vTaskStartScheduler()以前，最好是限定只使用建立任務，隊列和信號量的 API 函數。好比有一些初始化須要中斷的，或者在初始化完成的時候回產生一箇中斷，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函數中建立一個任務，在任務中進行bsp初始化，而後再建立消息隊列、信號量、互斥量、事件以及任務等操做。

在調度器掛起時調用 API 函數，致使應用程序崩潰

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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