FreeRTOS源码分析-6 多任务使用要点

目录

1 临界段应用

1.1临界段的作用

1.2临界段API

1.3临界段应用

2 临界段原理

2.1FreeRTOS中断管理实现

2.2关开中断实现

2.3临界段实现

3 任务栈大小确定

3.1确定

3.2MKD-htm文件分析

3.3堆栈检测API

4 栈溢出检测应用 

4.1栈溢出检测方案一

4.2栈溢出检测方案二

4.3获取任务状态方案（推荐）

5 CPU使用率

5.1 CPU利用率统计的作用

5.2 CPU利用率统计API 

5.3 CPU利用率统计实现

---

1 临界段应用

1.1临界段的作用

 不想被打断访问的资源

问：什么是不可重入函数？

比如使用静态全局变量，这时候被系统打断，那么会出问题；还比如malloc，分配到一半，被系统打断。

问：使用硬件资源为什么不希望被打断？
串口、SPI、II2 通信的时候，不希望被打断

问：什么情况下对时序有精准要求的操作不希望被打断？
比如写了一个驱动，延时被打断

1.2临界段API

门限值  ，低于配置宏定义的优先级的中断才会关闭

保证实时性操作不会屏蔽，不允许嵌套

上述两个接口一般不建议这样使用，特殊情况下才使用。

下面两个是任务中提供的临界段

注意事项

• 不允许加延时
• 必须成对出现，不能在中断使用

下面是专门在中断中使用的临界段接口函数

 问：为何要返回上次中断屏蔽寄存器的操作值？

因为这个接口支持嵌套，内核在调用，其他任务也可以调用，那么退出中断的时候，要恢复之前临界段的状态，不影响其他任务而产生错误

1.3临界段应用

1、分别修改Usart_Task、DelayTask任务

2、配置延时周期为50ms打印一次运行状态，观察现象，是否出现，资源冲突问题

3、当多任务共同使用串口的时候，如果冲突，如何通过临界段解决共享资源冲突问题

这是未使用临界段的情况

问：出现这个问题的原因？

当高优先级任务就绪态的时候，会抢占低优先级的任务，但是当恢复的时候，usarttask和delaytask相同优先级，会看谁的阻塞时间先到，之后再会返回给UsartTask

问：如何解决？

在printf的时候用临界段包裹一下

2 临界段原理

2.1FreeRTOS中断管理实现

相比STM32的优先级8bit，FreeRTOS没有亚优先级的位段，只有4bit ，对应3

main(void) //---->
    HAL_Init(); //---->
        HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4); //---->3

 FreeRTOS采用最后一种BASERPRI

门限值是5，>5要屏蔽掉，<5没关系，可以响应
屏蔽 15<<(8-5),因为内核优先级在高4位，所以最低是这么设置屏蔽
屏蔽 5<<(8-5),因为内核优先级在高4位，所以最低是这么设置屏蔽 

2.2关开中断实现

开中断实现

//portENTER_CRITICAL更硬件平台有关系，如果要移植其他平台函数要自己写
//uxCriticalNesting++嵌套增加，使用启动程序的时候用到过变为0。如果第一次检查一下参数
void vPortEnterCritical( void )
{
	portDISABLE_INTERRUPTS();
	uxCriticalNesting++;
}

#define portDISABLE_INTERRUPTS vPortRaiseBASEPRI()

static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

	__asm
	{
		/*将BASEPRI设置为最大系统调用优先级，以实现critical部分。 */
		msr basepri, ulNewBASEPRI  //basepri赋值为5
		dsb
		isb
	}
}

关中断实现 

#define portENABLE_INTERRUPTS()	vPortSetBASEPRI( 0 )

static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
	__asm
	{
		/* Barrier instructions are not used as this function is only used to
		lower the BASEPRI value. */
		msr basepri, ulBASEPRI
	}
}

总结：freeRTOS都是通过门限值来开关中断的。 

2.3临界段实现

进入临界段

如果移植其他平台，这段代码要自己实现，FreeRTOS为我们实现的代码如下

void vTaskEnterCritical( void )
{
    //屏蔽中断寄存器设置为5
	portDISABLE_INTERRUPTS();

	if( xSchedulerRunning != pdFALSE )
	{
        //嵌套功能+1，启动内核时候是0
		( pxCurrentTCB->uxCriticalNesting )++;
        //是否第一次使用
		if( pxCurrentTCB->uxCriticalNesting == 1 )
		{
            //检查
			portASSERT_IF_IN_ISR();
		}
	}
	else
	{
		mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
	}
}

退出临界段

void vTaskExitCritical( void )
{
	if( xSchedulerRunning != pdFALSE )
	{
		if( pxCurrentTCB->uxCriticalNesting > 0U )
		{
			( pxCurrentTCB->uxCriticalNesting )--;

            //等于0，主要是用于判断是否成对出现
			if( pxCurrentTCB->uxCriticalNesting == 0U )
			{
				portENABLE_INTERRUPTS();
			}
			else
			{
				mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
			}
		}
		else
		{
			mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
		}
	}
	else
	{
		mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
	}
}

中断中进入临界段

带返回值是用来满足嵌套功能

#define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() ulPortRaiseBASEPRI()

static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
{
    //设置屏蔽寄存器的值，以及返回值
    uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

	__asm
	{
		/* 将目前屏蔽寄存器的值读出来返回*/
		mrs ulReturn, basepri
        /* 将BASEPRI设置为最大系统调用优先级*/
		msr basepri, ulNewBASEPRI
		dsb
		isb
	}

	return ulReturn;
}

中断中退出临界段

如果第一次使用，那么是0，

#define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( x ) portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( x )
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)

static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
	__asm
	{
		/*每次退出把值写入中断屏蔽寄存器中 */
		msr basepri, ulBASEPRI
	}
}

总结：

• 1必须成对出现
• 2必须不能耗时，否则无法实现

3 任务栈大小确定

3.1确定

其中任务栈PSP，系统栈MSP

以上的分析太繁琐，需要研究函数循环嵌套等，以下方式更简单。

注意：函数指针、中断嵌套是不在分析范围内的

栈溢出检测：针对TOP指针和stack起始地址分析，当然只能在任务切换的时候检测，但是running的时候没法检测。所以FreeRTOS初始化数据为0xa5，末尾16个字节也是0xa5，如果不是0xa5就会栈溢出。

3.2MKD-htm文件分析

 

上例分析： 代码长度22byte，栈空间0byte，栈最大深度72字节，主要调用了Calls5处内容，当然类似printf属于C库大小未能分析准确。

3.3堆栈检测API

方案一、在任务切换时检测任务栈指针是否过界
方案二、任务创建的时候将任务栈所有数据初始化为 0xa5，任务切换时进行任务栈检测的时候会检测末尾的 16 个字节是否都是 0xa5

4 栈溢出检测应用 

4.1栈溢出检测方案一

实验流程

• 1、打开栈溢出检测方案1
• 2、修改Usart_Task任务
• 3、在任务内模拟栈溢出，分析实验结果

开启检测方案一

 模拟溢出，根据满减栈特点，逆序写入0x88

回调函数打印便可知道是否溢出

效果：已经溢出了，打印的时候会有乱码，但是最后又OverFlow标志

4.2栈溢出检测方案二

方案一、二都会有弊端 

其余不变，编译结果

4.3获取任务状态方案（推荐）

功能需求

• 1、打开任务状态配置
• 2、修改key_Task任务
• 3、当检测按键按下时，打印任务状态信息

使能两个宏定义

 定义一个全局buff

 

在按键按下后调用vTasklist接口，并打印

效果

 

 state说明，stack表示剩余堆栈，num任务序号

 如果stack接近0，说明堆栈将用尽，以字为单位。

5 CPU使用率

5.1 CPU利用率统计的作用

发现内存、cpu卡顿的原因

5.2 CPU利用率统计API 

与vTaskList差不多，名称、绝对时间，时间占用率。
注意事项：

• port相关是和stm32f4要实现的两个宏定义
• 高精度定时器目的：假如Systick我们设置的是1ms，只有使能10us的定时器，才能去统计1ms的定时周期 一般10倍或20倍 

5.3 CPU利用率统计实现

业务流程：

• 配置相关宏
• 使能高精度定时器
• 定时器中断回调函数
• FreeRTOS嵌套函数实现
• 按键触发CPU利用率

配置2个宏定义

 

根据stm32参考手手册配置定时器

 

 

20us的频率，计算公式：84Mhz/85/50=20 

使能TIM6中断

新建全局变量

 

回调函数中计数

 

改写并调用vTaskGetRunTimsStats

 

 实验效果