FreeRTOS入门（04）：中断内存追踪与调试

Posted 2023-03-06 Naisu Xu

文章目录

• 目的
• 中断
• 内存
• • 堆（heap）
  • 栈（stack）
• 断言
• 调试
• 总结

目的

有了前面的几篇文章 FreeRTOS 基本上已经可以在项目中使用上了：
《FreeRTOS入门（01）：基础说明与使用演示》
《FreeRTOS入门（02）：任务基础使用与说明》
《FreeRTOS入门（03）：队列、信号量、互斥量》

这篇文章将介绍一些零散的，FreeRTOS使用过程中可能需要注意的，或者有助于开发调试的内容。

中断

中断是嵌单片机开发中稍微复杂些但又不得不提的内容。

FreeRTOS中很多函数都有名称后面带 FromISR 的版本，这些函数都是提供在中断函数中使用的（虽然也可以在非中断函数中使用）。

这类函数中有些函数可能可以传入 BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken 这样一个参数，这个参数的含义是：如果当前操作之后有更高优先级的任务可以运行了（比如获得了等待的资源），那么该参数会被设置为 pdTRUE ，最好在退出中断函数前切换任务。比如下面伪代码：

void xxxISR(void) 
    BaseType_t woken = pdFALSE; // 用来保存pxHigherPriorityTaskWoken
    ...
	xxxxxxFromISR( ..., ..., &woken); // 可能使用多次
	...
	taskYIELD_FROM_ISR(woken); // 如果woken为pdTRUE，则退出中断前切换任务

在不使用 taskYIELD_FROM_ISR 的时候，退出中断函数后会返回原来的任务，如果有高优先级的任务就绪的话需要在下一次调度时才会切换。使用 taskYIELD_FROM_ISR 相当于会立即进行一次调度。

上面是FreeRTOS中对于中断相关操作上最大的一点内容。剩下的就是常见的屏蔽和恢复中断的操作：

taskENTER_CRITICAL() // 屏蔽中断
taskEXIT_CRITICAL() // 恢复中断
// 需要注意的是这是可以递归调用的，多次屏蔽需要多次恢复

// 上面函数在中断中使用的版本
taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()
taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR()

除了这些操作外，中断相关操作最重要的是要快，中断服务程序或者禁用中断的时间越短越好。

内存

堆（heap）

在FreeRTOS内核代码的 portable/MemMang 目录下有 heap_x.c 文件，这些文件是FreeRTOS对堆内存的管理方式。

heap_1.c 方式只申请内存，不释放内存，适用于可靠性要求非常严格的场合（如果要这么用的话，所有的 xxxCreate函数建议都换成xxxCreateStatic函数）。

现在一般使用 heap_4.c 或者 heap_5.c 即可，比如使用CH32V307的FreeRTOS项目模板方式创建项目使用的就是 heap_4.c 。

下面是内存相关的一些公共函数（有些 heap_x.c 文件可能并没有实现所有的函数）：

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize ) // 申请内存
void vPortFree( void * pv ) // 释放内存
size_t xPortGetFreeHeapSize( void ) // 返回当前空闲堆内存
size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void ) // 返回在系统运行过程中堆空间的最小空闲空间

FreeRTOSConfig.h 文件中 configTOTAL_HEAP_SIZE 参数用于设置FreeRTOS可用的总的堆大小，你可以根据上面的函数实际测试来调整该参数的大小。

如果 FreeRTOSConfig.h 文件中 configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK 设置为 1 ，则你需要实现自己的 void vApplicationMallocFailedHook( void ) 函数，这样在申请内存失败时会调用该函数。

栈（stack）

在使用 xTaskCreate() 创建任务时，任务的栈会从FreeRTOS的堆中分配。在程序运行中栈溢出是一个比较危险的情况。所以FreeRTOS也提供了一些栈溢出检测的方案。

FreeRTOSConfig.h 文件中 configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK 参数可以配置栈溢出检测的方案，值为 0 时不检查栈溢出。值为 1 时候使用检测方法一，值为 2 时候使用检测方法二，后者比前者可靠性稍高，但性能稍低。一般如果要使用的话使用方法二即可，要不就是测试各个任务栈足够用的话直接不检查栈溢出，因为毕竟检查本身比较耗性能。

如果使用的栈溢出检测，则需要实现栈溢出钩子函数：

void vApplicationStackOverflowHook( TaskHandle_t xTask, signed char *pcTaskName ) 
	// TODO

如果使用了栈溢出检查，还可以在运行时获取任务最小空闲栈大小（注意这个不一定是准确的）：

// 检测方法一使用
UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark(TaskHandle_t xTask)
// 检测方法二使用
UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark2(TaskHandle_t xTask)

断言

在开发阶段可以在 FreeRTOSConfig.h 文件中定义 configASSERT ，比如使用CH32V307的FreeRTOS项目模板方式创建项目，该文件中就有如下定义：

#define configASSERT( x ) if( ( x ) == 0 )  taskDISABLE_INTERRUPTS(); printf("err at line %d of file \\"%s\\". \\r\\n ",__LINE__,__FILE__); while(1); 

这样当发送严重错误时就会运行到这里定义错误位置。如果系统足够稳定的话可以注销改行提高性能。

调试

下面是FreeRTOS提供的一些用于开发调试的方法，需要注意的是这些方法会消耗大量的性能：

// 下面两个方法需要设置configUSE_TRACE_FACILITY为1才能使用

// 为每个任务填充TaskStatus_t结构体，用于记录任务句柄、任务名称、任务优先级、任务状态和任务消耗的运行时间等信息
UBaseType_t uxTaskGetSystemState(TaskStatus_t * const pxTaskStatusArray, const UBaseType_t uxArraySize, unsigned long * const pulTotalRunTime);
// 为单个任务填充TaskStatus_t结构体，用于记录任务句柄、任务名称、任务优先级、任务状态和任务消耗的运行时间等信息
void vTaskGetInfo(TaskHandle_t xTask, TaskStatus_t *pxTaskStatus, BaseType_t xGetFreeStackSpace, eTaskState eState)

// 下面方法需要设置 configUSE_TRACE_FACILITY 和 configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 为1才能使用
// vTaskList() 调用 uxTaskGetSystemState()， 然后将 uxTaskGetSystemState() 生成的原始数据格式化为人类可读的 (ASCII) 表格
// 显示每个任务的状态，包括任务的堆栈高水位线（高水位线数字越小， 任务越接近于溢出其堆栈）。
void vTaskList(char *pcWriteBuffer);

下面是 vTaskList 函数的简单测试：

#include "debug.h"
#include "FreeRTOS.h" // 引入头文件
#include "task.h"     // 引入头文件

void task(void *pvParameters) 
    char buf[40*8]; // 每个任务约需要40字节
    while(1) 
        vTaskList(buf);
        printf(buf);
        vTaskDelay(1000);
    


int main(void) 
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    SystemCoreClockUpdate();
    Delay_Init();
    USART_Printf_Init(115200);

    xTaskCreate(task, "task", 512,NULL, 5, NULL); // 创建一个任务

    vTaskStartScheduler(); // 任务调度，任务将在这里根据情况开始运行，程序将在这里无序循环

    while(1)  // 程序不会运行到这里

上面任务状态的取值如下：

• B 已阻塞；
• R 准备就绪；
• D 已删除（等待清理）；
• S 已挂起或已阻塞，没有超时；

总结

这篇文章中介绍的都是一些零散的，个人觉得相对重要或是有用的内容。可能没有办法一下子面面俱到，后面有需要补充或修改的内容会在这篇文章中更新。