FreeRTOS之任务栈

1. 任务栈是什么？

任务栈是每个任务在运行时用来存储局部变量、函数调用参数和返回地址的一片内存区域。

在 FreeRTOS 中，每个任务都有自己的独立栈空间，这样可以避免任务之间的相互干扰。

栈，简单来说，是一种数据结构，它按照 “后进先出” 的规则存储数据。

用通俗易懂的比喻来说，假设你要去参加一场冒险，你得带上各种东西，像地图、食物、工具等等。这个用来装这些东西的背包，就类似于任务栈在程序中的角色。

2.任务栈有啥用？

（一）辅助函数调用

当一个任务调用另一个函数时，就好比你在冒险途中遇到一个岔路口，决定去探索一条新的小路。这时候，你得记住你从哪里来的，以便之后能回到原来的路继续前进。在程序里，任务栈就负责记录这些信息。它会把当前函数的返回地址（也就是你出发的地方）存起来，同时还会存储函数调用的参数，就像你出发去探索小路时带上的必要物品。当被调用的函数执行完，程序就可以根据栈里存储的返回地址，准确地回到原来的函数继续执行，就像你顺利回到主路一样。

（二）存储局部变量

每个任务在运行过程中都会产生一些局部变量，这些局部变量就像是临时收集的小物件。任务栈为这些局部变量提供了存储的地方。它们在栈里 “安家”，直到函数执行结束，就像你完成了某个小任务，这些临时物件也就不再需要，它们所占用的栈空间就可以被释放，用来存放其他东西。

（三）任务切换

在 FreeRTOS 系统中，多个任务会轮流执行。当系统要从一个任务切换到另一个任务时，任务栈发挥着关键作用。它会保存当前任务的运行状态，包括各种寄存器的值等，当这个任务再次被调度执行时，系统可以从栈中恢复这些状态，让任务感觉就像从来没有被打断过一样，继续愉快地运行。

2. 如何为任务分配栈空间？

在 FreeRTOS 中，任务栈的分配方式有两种：动态分配和静态分配。

动态分配

使用 xTaskCreate() 函数创建任务时，任务的栈空间会从 FreeRTOS 的堆空间中动态分配。你需要在调用时指定栈的大小（以“栈深度”为单位，而不是字节）。例如：

xTaskCreate(
    vTaskFunction,          // 任务函数
    "TaskName",             // 任务名称
    128,                    // 栈深度（通常以字为单位）
    NULL,                   // 任务参数
    1,                      // 任务优先级
    NULL);                  // 任务句柄

在动态分配中，栈的大小需要根据任务的实际需求来设置。如果任务会调用多个嵌套函数或使用大量局部变量，就需要分配更大的栈空间。

静态分配

静态分配则是在编译时预先分配栈空间。使用 xTaskCreateStatic() 函数时，你需要手动定义任务的栈空间和任务控制块（TCB）。例如：

StaticTask_t task_tcb;
StackType_t task_stack[128];

xTaskCreateStatic(
    vTaskFunction,          // 任务函数
    "TaskName",             // 任务名称
    128,                    // 栈深度
    NULL,                   // 任务参数
    1,                      // 任务优先级
    task_stack,             // 栈空间
    &task_tcb);             // 任务控制块

静态分配的好处是避免了动态内存分配的开销，但需要在代码中明确管理栈空间。

3. 栈空间大小如何确定？

栈空间大小的设置是一个需要权衡的问题。如果栈空间太小，可能会导致栈溢出；如果太大，则会浪费宝贵的内存资源。通常，可以通过以下方法来确定栈大小：

1. 经验法：根据任务的复杂度，分配一个合理的栈大小。例如，简单的任务可以分配 128 字，复杂的任务可能需要 256 字或更多。

2. 调试法：在开发过程中，通过调试工具查看任务的实际栈使用情况。FreeRTOS 提供了 uxTaskGetStackHighWaterMark() 函数，可以用来获取任务栈的最高使用水位。

4. 栈溢出检测

栈溢出是导致系统崩溃的常见原因之一。为了避免栈溢出，FreeRTOS 提供了两种检测机制：

方法 1：检查栈指针

在任务切换时，FreeRTOS 会检查栈指针是否在合法的栈空间范围内。如果栈指针超出范围，则触发栈溢出钩子函数。

方法 2：检查栈填充值

在任务创建时，FreeRTOS 会用一个已知值填充栈空间。在任务切换时，检查栈空间的最后 16 字节是否被覆盖。如果被覆盖，则触发栈溢出钩子函数。

5. 栈空间的管理

FreeRTOS 对任务栈的管理是独立于标准 C 的 malloc() 和 free() 的。任务的栈空间在任务创建时分配，在任务删除时释放。

6. 实际案例：任务栈的使用

假设我们有一个任务，用于控制 LED 的闪烁。任务代码如下：

void vTaskLED(void* pvParameters) {
    while (1) {
        LED_TurnOn();
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));  // 延时 500ms
        LED_TurnOff();
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));  // 延时 500ms
    }
}

在创建任务时，需要为它分配足够的栈空间。如果任务中没有复杂的嵌套调用，分配 128 字的栈空间通常就足够了。

xTaskCreate(
    vTaskLED,
    "LED Task",
    128,
    NULL,
    1,
    NULL);