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12 FreeRTOS 调试与优化

news 2025/8/28 23:02:56

1、调试

1.1 打印

在FreeRTOS工程中使用了microlib，里面实现了printf函数。

只需要实现一下以下函数即可使用printf。

int fputc(int ch; FILE *f);

假如要从串口实现打印函数：

int fputc( int ch, FILE *f )
{//指定串口USART_TypeDef* USARTx = USART1;//等待数据发送出去，数据发送完时SR的bit7=1while((USARTx->SR & (1<<7)) == 0);//往DR寄存器中写入字符USARTx->DR = ch;return ch;
}

1.2 断言

一般的C库中，断言就是一个函数。

void assert(scalar expression);

它的作用是：确认expression必须为真，如果expression为假的话就中止程序。

在FreeRTOS中，使用configASSERT()，比如：

#define configASSERT(x)  if (!x) while(1);

也可以让它提供更多的信息：

#define configASSERT(x)  \if (!x) \{printf("%s %s %d\r\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__); \while(1); \}

1.3 Trace

FreeRTOS中定义了很多trace开头的宏，这些宏被放在系统个关键位置。

它们一般都是空的宏，这不会影响代码：不影响编程处理的程序大小、不影响运行时间。

我们要调试某些功能时，可以修改宏：修改某些标记变量、打印信息等待。

1.4 Malloc Hook函数

编程时，一般的逻辑错误都容易解决。难以处理的是内存越界、栈溢出等。

内存越界经常发生在堆的使用过程中：堆，就是使用malloc得到的内存。

并没有很好的方法检测内存越界，但是可以提供一些回调函数：使用pvPortMalloc失败时，如果在FreeRTOSConfig.h里配置`configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK`为1，会调用：

void vApplicationMallocFailedHook( void );

1.5 栈溢出Hook函数

在切换任务(vTaskSwitchContext)时调用taskCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW来检测栈是否溢出，如果溢出会调用：

void vApplicationStackOverflowHook( TaskHandle_t xTask, char * pcTaskName );

判断栈溢出可以有两种方法：

方法一：当前任务被切换出去之前，它的整个运行现场都被保存在栈里，这时很可能就是它对栈的使用到达了峰值。这方法很高效，但是并不精确。比如：任务在运行过程中调用了函数A大量地使用了栈，调用完函数A后才被调度。

方法二：创建任务时，它的栈被填入固定的值，比如：0xa5。检测栈里最后16字节的数据，如果不是0xa5的话表示栈即将、或者已经被用完了。没有方法1快速，但是也足够快。能捕获几乎所有的栈溢出。为什么是几乎所有？可能有些函数使用栈时，非常凑巧地把栈设置为0xa5：几乎不可能

2、优化

在Windows中，当系统卡顿时我们可以查看任务管理器找到最消耗CPU资源的程序。

在FreeRTOS中，我们也可以查看任务使用CPU的情况、使用栈的情况，然后针对性地进行优化。

2.1 栈使用情况

在创建任务时分配了栈，可以填入固定的数值比如0xa5，以后可以使用以下函数查看"栈的高水位"，也就是还有多少空余的栈空间。原理是：从栈底往栈顶逐个字节地判断，它们的值持续是0xa5就表示它是空闲的。

//xTask 哪个任务  
//返回值 //任务运行时、任务被切换时，都会用到栈。栈里原来值(0xa5)就会被覆盖。//逐个函数从栈的尾部判断栈的值连续为0xa5的个数，它就是任务运行过程中空闲内存容量的最小值。//注意：假设从栈尾开始连续为0xa5的栈空间是N字节，返回值是N/4。
UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark( TaskHandle_t xTask );

2.2 任务运行时间统计

对于同优先级的任务，它们按照时间片轮流运行：你执行一个Tick，我执行一个Tick。是否可以在Tick中断函数中，统计当前任务的累计运行时间？不行！很不精确，因为有更高优先级的任务就绪时，当前任务还没运行一个完整的Tick就被抢占了。

我们需要比Tick更快的时钟，比如Tick周期时1ms，我们可以使用另一个定时器，让它发生中断的周期时0.1ms甚至更短。使用这个定时器来衡量一个任务的运行时间，原理如下图所示：

切换到Task1时，使用更快的定时器记录当前时间T1；Task1被切换出去时，使用更快的定时器记录当前时间T4；(T4-T1)就是它运行的时间，累加起来。关键点：在vTaskSwitchContext函数中，使用更快的定时器统计运行时间。

2.3 涉及的代码

要提前配置一下

#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1
#define configUSE_TRACE_FACILITY    1
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS  1

实现宏portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS()，它用来初始化更快的定时器

实现这两个宏之一，它们用来返回当前时钟值(更快的定时器)

portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()：直接返回时钟值

portALT_GET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE(Time)：设置Time变量等于时钟值

代码执行流程：

（1）在启动调度器时，初始化更快的定时器

（2）在任务切换时统计运行时间

获得统计信息，可以使用下列函数：

（1）uxTaskGetSystemState：对于每个任务它的统计信息都放在一个TaskStatus_t结构体里

（2）vTaskList：得到的信息是可读的字符串

（3）vTaskGetRunTimeStats：得到的信息是可读的字符串

2.4 函数说明

uxTaskGetSystemState：获得任务的统计信息

UBaseType_t uxTaskGetSystemState( TaskStatus_t * const pxTaskStatusArray,const UBaseType_t uxArraySize,uint32_t * const pulTotalRunTime );

参数	描述
pxTaskStatusArray	向一个TaskStatus_t结构体数组，用来保存任务的统计信息。有多少个任务？可以用`uxTaskGetNumberOfTasks()`来获得。
uxArraySize	数组大小、数组项个数，必须大于或等于uxTaskGetNumberOfTasks()
pulTotalRunTime	用来保存当前总的运行时间(更快的定时器)，可以传入NULL
返回值	传入的pxTaskStatusArray数组，被设置了几个数组项。注意：如果传入的uxArraySize小于uxTaskGetNumberOfTasks()，返回值就是0

vTaskList ：获得任务的统计信息，形式为可读的字符串。注意，pcWriteBuffer必须足够大。

void vTaskList( signed char *pcWriteBuffer );

可读信息格式如下：

vTaskGetRunTimeStats：获得任务的运行信息，形式为可读的字符串。注意，pcWriteBuffer必须足够大。

void vTaskGetRunTimeStats( signed char *pcWriteBuffer );

可读信息如下：