FreeRTOS的一些知识点

一、临界区

1. 临界区是指一段代码，在执行过程中不允许被中断（例如：任务切换或硬件中断）。
2. 临界区的作用是确保对共享资源的操作是原子性的，避免多个任务或中断同时操作共享资源导致数据错误。
3. 对于实时系统来说，进入临界区时需要快速完成操作，以免影响系统的实时性。
4. 在 FreeRTOS 中，可以通过以下方式进入和退出临界区：
   - 进入临界区：使用 taskENTER_CRITICAL() 函数，FreeRTOS 会关闭所有中断，暂停任务调度。这确保在临界区内的代码执行过程中，不会有其他任务或中断打断当前的任务。
   - 退出临界区：使用 taskEXIT_CRITICAL() 函数恢复中断和任务调度。
5. 注意： 在临界区内应避免进行长时间的操作，尤其是像延时、等待等操作，因为这可能会影响系统的实时性能。理想情况下，进入临界区后，应尽快完成任务并退出临界区。
6. 中断中进入临界区
   • 中断中也可以使用临界区来保证原子操作

UBaseType_t uxSavedInterruptStatus;
uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(); // 关闭中断
// 临界区代码
portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(uxSavedInterruptStatus); // 恢复中断

- 举例说明

int __io_putchar(int ch)
{UBaseType_t uxSavedInterruptStatus;uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 1);portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(uxSavedInterruptStatus);return ch;
}

二、时间管理

1. FreeRTOS 的时间管理基于硬件定时器 SysTick，这是一个硬件定时器，它每隔 1 毫秒产生一次中断，用来增加系统的时间计数 ticks。
2. 获取当前时间
   • xTaskGetTickCount()：用于普通任务获取当前系统的 tick 计数，即系统启动后经过的时间（以 tick 为单位）。1 个 tick 通常等于 1 毫秒，具体取决于配置。
   • xTaskGetTickCountFromISR()：在中断服务程序（ISR）中使用的版本，用来获取当前 tick 值。
3. 任务睡眠
   • FreeRTOS 提供了 osDelay() 函数，可以让任务暂停执行一段时间
   • 但是，osDelay() 可能不够精确，因为它会让任务在执行完工作后再睡眠指定时间，导致延迟时间包括了任务执行时间。
4. 更精确的延时
   • FreeRTOS 提供了 vTaskDelayUntil() 函数，它可以保证任务每隔固定时间间隔执行

TickType_t lastWakeTime = xTaskGetTickCount();
for (;;)
{do_something();vTaskDelayUntil(&lastWakeTime, 500); // 保证每隔 500 ticks 执行一次
}vTaskDelayUntil() 基于上一次唤醒时间来计算下次睡眠的时长，因此能保证任务周期精确，而不会受任务处理时间的影响。

三、堆栈管理

1. 在嵌入式系统中，内存分为多个区域，包括代码段、全局变量区、堆区和栈区。

• 栈：用于存储局部变量、函数参数、返回地址等。栈的空间是有限的。
• 堆：用于动态分配的内存，例如通过 malloc() 分配的空间。

2. 在裸机开发中（没有操作系统的情况下），堆和栈是共享的。在 FreeRTOS 中，每个任务都有自己独立的堆栈空间，而这些堆栈空间是从系统的堆中分配的。
3. freeRTOS的栈空间 从堆区分配
4. 栈: 自动从heap分配,自动释放不需要我们关心
5. 在 STM32 开发中，使用 CubeIDE 配置 FreeRTOS 堆大小。可以通过以下路径设置堆大小：

CubeIDE(硬件配置界面) -> System View -> Middleware -> FreeRTOS -> Config Parameters -> TOTAL_HEAP_SIZE
要填入一个完整的数,不要 +-*/ ,而且要随机一点,不要 是512的整数倍

6. 动态内存分配策略

• FreeRTOS 提供了四种内存分配策略，常用的是带有碎片整理功能的动态分配策略。即 FreeRTOS 提供了 pvPortMalloc() 和 vPortFree() 这两个函数，类似于标准 C 的 malloc() 和 free()，用来动态分配和释放内存。

7. 如何检查剩余堆内存
   • 可以使用 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize() 函数来获取最小时刻的堆剩余空间。如果堆内存过小，说明系统内存分配有风险，可能需要调整配置。

四. 调度策略

1. FreeRTOS 采用的是 抢占式调度 和 时间片轮转 的结合：

• 抢占式：只要有更高优先级的任务，系统会立即中断当前任务，执行高优先级任务。
• 时间片轮转：当多个任务的优先级相同时，系统会给每个任务分配一个固定的时间片，轮流执行。

2. 任务的切换时机： 通常在中断发生时，系统会检查是否有更高优先级的任务需要运行，如果有则进行任务切换。

五、FreeRTOS调试

1. volatile 修饰共享变量：如果多个任务共享某个变量，为了确保每次都从内存中读取最新的值，而不是使用缓存，应该使用 volatile 关键字修饰变量。
2. 中断优先级的设置：使用 FreeRTOS 时，中断的优先级需要降低到一定范围内，否则可能与 FreeRTOS 的调度机制产生冲突。可以在 CubeIDE 中配置中断优先级。
3. 初始化顺序：在 main() 函数中，初始化各个模块时要注意顺序。例如，FreeRTOS 的启动必须在所有硬件初始化完成后进行。
4. 中断中的 API 调用：在中断服务程序中调用 FreeRTOS 的 API 时，要使用以 FromISR 结尾的函数，例如 xQueueSendFromISR() 等。
5. 断言与错误处理：FreeRTOS 提供了一个断言机制，可以在出现错误时触发断言。例如，在 FreeRTOSConfig.h 中定义：

#define configASSERT(x) if ((x) == 0) { taskDISABLE_INTERRUPTS(); printf("%s-%d\r\n", __func__, __LINE__); for (;;); }当系统检测到错误时，会进入断言并输出错误信息，帮助定位问题

6. 栈和堆溢出检测

• 栈溢出检测： FreeRTOS 提供了栈溢出检测功能，当某个任务的栈溢出时，会调用栈溢出钩子函数：

void vApplicationStackOverflowHook(TaskHandle_t xTask, char *pcTaskName)
{printf("Stack overflow in task: %s\r\n", pcTaskName);// 这里可以添加处理代码，例如重启系统或停止任务
}要启用栈溢出检测功能，需要设置 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW = 2。
cubide->middleware-->config parameter--> configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW -->option 2

• FreeRTOS 也支持堆溢出检测。当内存分配失败时，系统会调用堆溢出钩子函数

void vApplicationMallocFailedHook(void)
{printf("Heap memory allocation failed!\r\n");// 这里可以添加处理代码
}
启用堆溢出检测
configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK=1
方法:cubide->middleware-->config parameter-->configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK=1

六、异常处理

1. 在 FreeRTOS 和嵌入式系统中，异常（如中断错误、数据异常、硬件异常等）是不可避免的。为了方便调试和快速定位问题，我们可以在常见的异常处理函数中加上打印日志。
2. STM32 的异常处理函数通常实现在 core/stm32f1xx_it.c 文件中，包括以下几个关键函数：
   • HardFault_Handler：处理硬件错误（例如非法内存访问）。
   • MemManage_Handler：内存管理错误（例如堆栈溢出）。
   • UsageFault_Handler：处理非法指令、未对齐的内存访问等错误。
   • DebugMon_Handler：用于监控调试事件。
3. 为了调试这些异常，可以在每个处理函数中添加调试打印，以便在异常发生时输出详细的错误信息，例如当前的函数名和出错的位置。

void HardFault_Handler(void)
{printf("HardFault occurred!\n");while (1); // 陷入死循环，方便调试
}void MemManage_Handler(void)
{printf("Memory management fault!\n");while (1);
}void UsageFault_Handler(void)
{printf("Usage fault!\n");while (1);
}

七、堆栈信息打印

1. 在 FreeRTOS 中，每个任务都有其独立的栈空间。如果某个任务的栈空间不足，会引发栈溢出，导致系统崩溃。因此，监控任务的栈使用情况非常重要。
2. 步骤1：获取任务栈的剩余大小
   • 可以使用 uxTaskGetStackHighWaterMark() 函数获取某个任务的栈剩余量，单位是 4 字节。这个函数会返回任务曾经使用过的最小栈空间，即可以用来评估是否需要调整任务的栈大小。

UBaseType_t freestacksz;
freestacksz = uxTaskGetStackHighWaterMark(task1Handle); // 获取任务1的剩余栈大小
printf("Task1 remaining stack: %lu bytes\n", freestacksz * 4);默认情况下，这个功能是关闭的。可以通过 CubeIDE 打开：
CubeIDE -> Middleware -> FreeRTOS -> Config Parameters -> Include uxTaskGetStackHighWaterMark

3. 步骤2：任务栈分配调整

• 创建任务时，建议给任务分配稍大的栈空间，初始值可以是 128 * 3（表示 128 字×3），并通过 uxTaskGetStackHighWaterMark() 动态调整，确保每个任务有足够的栈空间。

八、系统任务状态打印

• 可以打印系统中所有任务的运行状态，方便整体调试。
• 获取所有任务的状态：使用 vTaskList() 函数可以获取当前系统中所有任务的运行信息，包括任务名、任务状态、任务优先级、剩余栈大小等。

char *pbuffer = (char *)calloc(1, 512); // 为任务信息分配内存
printf("\r\n-name---------stat---Priority--lastword---ID---\r\n");
vTaskList(pbuffer);  // 获取任务列表
printf("%s", pbuffer);  // 打印任务信息
printf("-X:run-B:block-R:ready-D:del-S:suspend-Heap mini %d-\r\n", xPortGetMinimumEverFreeHeapSize());
free(pbuffer);  // 释放内存//默认该函数关闭,使能  cubeied-middleware->config parameter->
configUSE_TRACE_FACILITY 和 configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 使能 示例输出
-name---------stat---Priority--lastword---ID---
taskPrint      	X	0	129	5
IDLE           	R	0	106	6
taskStackDetect	B	0	83	2
taskStackDetect	B	0	143	3
taskStackDetect	B	0	143	4
defaultTask    	B	3	97	1
-X:run-B:block-R:ready-D:del-S:suspend-Heap mini 3592-X 代表正在运行的任务
B 代表阻塞状态
R 代表就绪状态
S 代表挂起状态
D 代表删除的任务输出的堆内存剩余量可以通过 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize() 获取，帮助我们监控系统堆的使用情况。