FreeRTOS入门(04):中断、内存、追踪与调试

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
}

在这里插入图片描述
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;

除了上面信息的统计,FreeRTOS中还带有统计各个任务占用时间的方法 :

// 使用前需要定义下面几项内容
// configGENERATE_RUN_TIME_STATS
// configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS
// configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION
// portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS()
// portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()
void vTaskGetRunTimeStats( char *pcWriteBuffer );

下面是使用演示:

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

volatile unsigned long ulHighFrequencyTimerTicks = 0; // 时间计数值

void TIM1_UP_IRQHandler(void) __attribute__((interrupt())); // 定时器中断回调函数声明

// 定时器中断回调处理
void TIM1_UP_IRQHandler(void){
    ulHighFrequencyTimerTicks++; // 计数值累加
    TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); // 清除中断标志
}

// 定时器初始化
void TIM1_Init(void) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure = { 0 };

    RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);

    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100; // 根据下面分频设置,每次中断约为100us,这里默认FreeRTOS Tick为2ms,此处频率为FreeRTOS时钟的20倍(推荐为10~100倍之间)
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 96 - 1; // 96MHz下此分频系数每次计数时间为1us
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit( TIM1, &TIM_TimeBaseInitStructure);

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure = {0};
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM1_UP_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE);

    TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);
}

// 时间统计并打印
void stat(void *pvParameters) {
    char buf[40 * 8]; // 每个任务约需要40字节
    while(1) {
        vTaskGetRunTimeStats(buf);
        printf(buf);
        vTaskDelay(5000);
    }
}

// 用于测试的任务
void task(void *pvParameters) {
    uint32_t delay = (uint32_t)pvParameters;
    while(1) {
        for (int i = 0; i < 1000 * 1000; i++) {
            __NOP();
        }
        vTaskDelay(delay);
    }
}

// 主函数
int main(void) {
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    SystemCoreClockUpdate();
    Delay_Init();
    USART_Printf_Init(115200);

    xTaskCreate(stat, "stat", 512, NULL, 7, NULL);
    xTaskCreate(task, "task1", 256, (void *)50, 5, NULL); // 用于测试的任务
    xTaskCreate(task, "task2", 256, (void *)100, 5, NULL); // 用于测试的任务

    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
}
// FreeRTOSConfig.h文件(部分内容)
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS	1
#define configUSE_TRACE_FACILITY 1
// #define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1 // 默认为1

extern void TIM1_Init(void);
#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() TIM1_Init()

extern volatile unsigned long ulHighFrequencyTimerTicks;
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE() ulHighFrequencyTimerTicks

在这里插入图片描述

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。

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