FreeRTOS怎么進行優化與錯誤排查

這篇文章主要介紹“FreeRTOS怎么進行優化與錯誤排查”，在日常操作中，相信很多人在FreeRTOS怎么進行優化與錯誤排查問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”FreeRTOS怎么進行優化與錯誤排查”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學習吧！

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 與字符串處理函數，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，需要將對應的宏定義打開：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余量。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。|

如果不知道怎么計算任務棧大小，就使用這個函數進行統計一下，然后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 ，那么在創建線程的時候需要 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，采用下面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內存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后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范圍，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 會檢查任務棧的最后 20個字節的數據，查看預置在這里的標記數據是否被覆蓋。如果最后 20 個字節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 個字節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 應用程序中增加了一個簡單的任務，導致應用程序崩潰

可能的情況：

1. 任務創建時需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只夠用于創建 Demo 任務——所以當任務創建完成后，就沒有足夠的剩余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。如果由于內存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()后加上一條空循環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，導致應用程序崩潰

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。

除此之外，還需要注意中斷的優先級： FreeRTOSConfig.h文件中可以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是用于配置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為5的時候，中斷優先級數值在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函數接口，而中斷優先級在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函數接口。

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級標志。這兩個宏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后計數值才會為 0，也才會使能中斷。

在調度器啟動前應用程序就崩潰了

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。這同樣適用于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，然后再創建消息隊列、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。

到此，關于“FreeRTOS怎么進行優化與錯誤排查”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！