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(wèn)題。這里把最主要的篇幅放在棧溢出以及棧溢出檢測(cè)上，因?yàn)闂Ｏ嚓P(guān)的問(wèn)題是初學(xué)者遇到最多的問(wèn)題。

printf-stdarg.c

當(dāng)調(diào)用 C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù) 的函數(shù)時(shí)，棧空間使用量可能會(huì)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(gè)名為 printf-stdarg.c 的文件。這個(gè)文件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)棧效率優(yōu)化版的小型 sprintf()、printf()，可以用來(lái)代替標(biāo)準(zhǔn) C 庫(kù)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(duì)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(gè)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(shí)候就無(wú)需依賴 C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù) ，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(biāo)準(zhǔn)庫(kù)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(jì)算

每個(gè)任務(wù)都獨(dú)立維護(hù)自己的棧空間， 任務(wù)棧空間總量在任務(wù)創(chuàng)建時(shí)進(jìn)行設(shè)定。uxTaskGetStackHighWaterMark()主要用來(lái)查詢指定任務(wù)的運(yùn)行歷史中， 其棧空間還差多少就要溢出。這個(gè)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(duì)應(yīng)的宏定義打開：INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark

函數(shù)描述：

如果不知道怎么計(jì)算任務(wù)棧大小，就使用這個(gè)函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)一下，然后將任務(wù)運(yùn)行時(shí)最大的棧空間作為任務(wù)棧空間的80%大小即可。即假設(shè)統(tǒng)計(jì)得到的任務(wù)棧大小為常量 A ，那么在創(chuàng)建線程的時(shí)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(yùn)行時(shí)棧檢測(cè)

FreeRTOS 包含兩種運(yùn)行時(shí)棧檢測(cè)機(jī)制，由 FreeRTOSConfig.h 中的配置常量configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 進(jìn)行控制。這兩種方式都會(huì)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(cè)到棧溢出時(shí)調(diào)用。要使用棧溢出鉤子函數(shù)，需要進(jìn)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(shí)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(bǔ)充說(shuō)明：

• 棧溢出鉤子函數(shù)只是為了使跟蹤調(diào)試棧空間錯(cuò)誤更容易，而無(wú)法在棧溢出時(shí)對(duì)其進(jìn)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(shí)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(jìn)行調(diào)用
• 某些微控制器在檢測(cè)到內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)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(cuò)誤異常中斷。

方法1

當(dāng) configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設(shè)置為 1 時(shí)選用方法 1 。

任務(wù)被交換出去的時(shí)候，該任務(wù)的整個(gè)上下文被保存到它自己的棧空間中。這時(shí)任務(wù)棧的使用應(yīng)當(dāng)達(dá)到了一個(gè)峰值。當(dāng) configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 設(shè)為1 時(shí)，內(nèi)核會(huì)在任務(wù)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(cè)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(huì)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(huì)被檢測(cè)到，因?yàn)檫@種檢測(cè)方式僅在任務(wù)切換中檢測(cè)。

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(jìn)行了一些補(bǔ)充。

當(dāng)創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，任務(wù)棧空間中就預(yù)置了一個(gè)標(biāo)記。方法 2 會(huì)檢查任務(wù)棧的最后 20個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，查看預(yù)置在這里的標(biāo)記數(shù)據(jù)是否被覆蓋。如果最后 20 個(gè)字節(jié)的標(biāo)記數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值不同，則棧溢出鉤子函數(shù)就會(huì)被調(diào)用。

方法 2 沒(méi)有方法 1 的執(zhí)行速度快，但測(cè)試僅僅 20 個(gè)字節(jié)相對(duì)來(lái)說(shuō)也是很快的。這種方法應(yīng)該可以檢測(cè)到任何時(shí)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(jiàn)錯(cuò)誤

在一個(gè) Demo 應(yīng)用程序中增加了一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)，導(dǎo)致應(yīng)用程序崩潰

可能的情況：

1. 任務(wù)創(chuàng)建時(shí)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(dāng)任務(wù)創(chuàng)建完成后，就沒(méi)有足夠的剩余空間來(lái)增加其它的 任務(wù)，隊(duì)列或信號(hào)量 。

2. 空閑任務(wù)是在 vTaskStartScheduler()調(diào)用中自動(dòng)創(chuàng)建的。如果由于內(nèi)存不足而無(wú)法創(chuàng)建空閑任務(wù)，vTaskStartScheduler()會(huì)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(cuò)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)存堆空間大小（修改配置文件），或是刪掉一些已存在的 Demo任務(wù)。

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

需要做的第一件事是檢查中斷是否導(dǎo)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(wàn)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(jí)：

FreeRTOSConfig.h文件中可以配置系統(tǒng)可管理的最高中斷優(yōu)先級(jí)數(shù)值，宏定義configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY是用于配置basepri寄存器的，當(dāng)basepri設(shè)置為某個(gè)值的時(shí)候，會(huì)讓系統(tǒng)不響應(yīng)比該優(yōu)先級(jí)低的中斷，而優(yōu)先級(jí)比之更高的中斷則不受影響。就是說(shuō)當(dāng)這個(gè)宏定義配置為5的時(shí)候，中斷優(yōu)先級(jí)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(shí)也不能調(diào)用FreeRTOS中的API函數(shù)接口 ，而中斷優(yōu)先級(jí)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(wú)法正確嵌套

除了 taskENTER_CRITICA()和 taskEXIT_CRITICAL()，千萬(wàn)不要在其它地方修改控制器的中斷使能位或優(yōu)先級(jí)標(biāo)志。這兩個(gè)宏維護(hù)了一個(gè)嵌套深度計(jì)數(shù)，所以只有當(dāng)所有的嵌套調(diào)用都退出后計(jì)數(shù)值才會(huì)為 0，也才會(huì)使能中斷。

在調(diào)度器啟動(dòng)前應(yīng)用程序就崩潰了

這個(gè)問(wèn)題我也會(huì)遇到，如果一個(gè)中斷會(huì)產(chǎn)生上下文切換，則這個(gè)中斷不能在調(diào)度器啟動(dòng)之前使能。這同樣適用于那些需要讀寫隊(duì)列或信號(hào)量的中斷。在調(diào)度器啟動(dòng)之前，不能進(jìn)行上下文切換。

還有一些 API 函數(shù)不能在調(diào)度器啟動(dòng)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(duì)列和信號(hào)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(shí)候回產(chǎn)生一個(gè)中斷，這些驅(qū)動(dòng)的初始化最好放在一個(gè)任務(wù)中進(jìn)行，我是這樣子處理的，在main函數(shù)中創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，在任務(wù)中進(jìn)行bsp初始化，然后再創(chuàng)建消息隊(duì)列、信號(hào)量、互斥量、事件以及任務(wù)等操作。

在調(diào)度器掛起時(shí)調(diào)用 API 函數(shù)，導(dǎo)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(wàn)不要在調(diào)度器掛起時(shí)調(diào)用其它 API 函數(shù)。