FreeRTOS学习笔记（5、定时器、中断管理、调试与优化）

编程语言 2023-09-03 08:27:28 阅读次数: 0

FreeRTOS学习笔记（5、定时器、中断管理、调试与优化）

前言

这是第五弹，由于CSDN长度的限制，所以把FreeRTOS学习分为几部分来发，这是第五部分


主要包括定时器、中断管理、调试和优化等

往期学习笔记链接

第一弹：FreeRTOS学习笔记（1、FreeRTOS初识、任务的创建以及任务状态理论、调度算法等）
第二弹: FreeRTOS学习笔记（2、同步与互斥通信、队列、队列集的使用）
第三弹: FreeRTOS学习笔记（3、信号量、互斥量的使用）
第四弹: FreeRTOS学习笔记（4、事件组、任务通知）
第五弹: FreeRTOS学习笔记（5、定时器、中断管理、调试与优化）

学习工程

所有学习工程
oufen / FreeRTOS学习
都在我的Gitee工程当中，大家可以参考学习

定时器

闹钟什么时候响，闹钟响了之后要做什么事情，这个闹钟是一次性的还是周期性的

定时器的三要素

  • 超时时间(定时器周期)
  • 回调函数
  • 单次触发还是周期性的触发

守护任务

  • 守护任务的作用
    • 处理命令，从命令队列中取出命令、处理
    • 执行定时器的回调函数

能否及时执行定时器中断回调函数，严重依赖于守护任务的优先级

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创建定时器后，然后启动定时器

启动定时器，实质上是向队列中写入命令数据，第二个参数就是等待时间，如果队列满的话，就无法写入队列，阻塞等待

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启动定时器时，会记录启动定时器的当前tick,此时的tick是初始时间，当定时器过了定时时间后，即当前时间tick>=初始tick+定时时间时，就会触发Timer

对于一次性的定时器，将会触发一次
对于周期性的定时器，将会周期性的触发

定时器回调函数应该尽快执行完，如果执行时间过长，将会阻碍其他定时器函数的执行

在定时器中断回调函数中不要使用delay,不能进入阻塞状态

可以调用在任务中使用的函数，但是等待事件要设置为0，即刻返回，不可以阻塞
否则将会影响其他任务的执行，一直堵塞在定时器中断回调函数中

触发指的是回调函数被调用，被谁调用呢？

  • tick中断中去调用回调函数 （在Linux中调用）
  • 在FreeRTOS中，只能在某个任务中执行

tick中断，每定时1次，就会判断一下，有没有超时的定时器，如果有的话将会唤醒这个任务，调用回调函数，这个任务被称为守护任务

守护任务的函数
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当tick中断把守护任务唤醒之后，如果他的优先级比较高的话，最高的话就可以执行定时器的回调函数
如果优先级比较低，就会被更高优先级任务抢占，那么定时器中断回调函数就无法执行，从而阻塞

守护任务的三个宏定义，一旦使用定时器就需要定义这三个宏，分别表示守护任务的优先级、队列长度、任务分配栈的大小

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守护任务执行Timer回调函数，如果其他任务想要设置Timer，只能通过队列发消息给守护任务（比如启动定时器）

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用户使用定时器时，实质都是把某些命令都发送到定时器命令队列里
把数据存入队列，对方任务就会被唤醒，就会从队列里取出命令，从而修改定时器的值

写入队列，都会有等待时间

定时器的状态

定时器中有两个状态

  • Dormant状态 （休眠状态）
  • Running状态 （运行状态）

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当创建定时器时，这个定时器处于Dormant状态，定时器并未运行，我们可以修改定时器的，启动/复位/修改周期
然后从Dormant状态变为Running状态，这个状态在等待定时时间到，时间到了之后函数将会被调用

一次性定时器和周期性定时器不同的在于
周期性定时器被调用后，仍然处于运行状态，会等待下一个超时时间
对于一次性定时器，执行一次后，就不再等待，从Running状态变为Dormant状态

从Running状态进入Dormant状态还可以通过xTimerStop()，停止定时器

定时器的基本使用

1、创建定时器并书写中断回调函数

创建定时器时需要定义相关宏，这是关于守护任务的相关宏
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#define configUSE_TIMERS 					1 					  /*定时器相关宏*/
#define configTIMER_TASK_PRIORITY 			configMAX_PRIORITIES /*守护任务优先级 设置成最大*/
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH    		10					/*守护任务队列的长度*/
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH        100				   /*守护任务队列的栈大小*/

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2、开启定时器

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定时100ms，打印一次数据
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可以看到定时器中断回调函数打断了task1的执行
守护任务调用的定时器中断回调函数，优先级最高
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如果修改守护任务的优先级，设置成比task1低
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可以看到守护任务调用中断回调函数并没有抢占task1
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任务的优先级最多只能达到最大值-1，不能达到最大值

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定时器的函数，实际上是在另外一个task中运行的，这个task也要有优先级，如果优先级比其他task低，那么守护任务调用回调函数，就无法进入中断，打断其他task的执行

定时器消除抖动

按下按键之后，有可能会产生多次震动，再抖动过程中可能会产生中断，从而进入中断多次

我们需要消除这些抖动

普通的外部中断

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定时器防抖

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可以看出，按键被触发多次，但是回调函数获取里只获得了一次
外部中断处理按键思路，当按键被按下，会产生下降沿或者上升沿，这个时候就会触发中断，在中断服务函数里再次判断按键状态，这个时候才读取按键的值

定时器处理按键消抖，当按键被按下，进入外部中断服务处理函数，然后复位定时器，等待一段定时器周期，然后进入定时器中断回调函数，进行处理按键值,这个时候按键的键值将会是正确的
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中断管理

当用户按下按键时，触发了按键中断，这个时候中断的处理流程是

  • CPU跳到固定地址去执行代码，这个固定地址称为中断向量，这个跳转是硬件实现的
  • 执行代码做啥子
    • 保存现场，task1被打断，需要先保存task1的运行环境，比如各类寄存器的值
    • 分辨中断，调用中断处理函数（ISR interrupt service routine）
    • 恢复现场，继续运行task1,或者运行其他优先级更高的任务

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如果中断非常耗时，对于中断的处理就要分为两部分

  • ISR:尽快做些清理、记录的工作，然后触发某个任务
  • 任务：更复杂的事情放在任务中处理

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ISR的优先级高于任务，如果不高于任务的话，就无法打断任务，进入中断

就拿队列来说明，使用普通的函数和使用中断
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1、阻塞，当队列满后，ISR不能阻塞，会立马返回一个err
在任务中使用队列的话，写队列，当队列满后可以阻塞等待

但是在ISR中写队列，即使队列满了也不能写队列，因为一旦阻塞，中断就阻塞

中断一旦阻塞，其他任务就不能运行

2、写队列时，队列满，ISR立马返回，不会阻塞
队列满时
在任务中，可以决定是否立马返回(返回err)，还是决定阻塞等待(把任务放到等待链表中并且阻塞等待)，阻塞的话将会发起任务调度，让其他task运行

在ISR中，立马返回，不会阻塞

3、两者参数不一样

4、写队列时，唤醒等待任务
写队列时
在任务中写队列，会把等待任务的队列唤醒（把等待任务的等待链表的task移到就绪链表task中去，从阻塞态变为就绪态），如果被唤醒任务的优先级更高的话，将会发起调度

在ISR中，会唤醒，但是不会调度，但是会记录下来，是否需要发起调度

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FreeRTOS中很多API函数都有两套：一套在任务中使用，另一套在ISR中使用。后者的函数名含有"FromISR"后缀。

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两套API函数的区别

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xHigherPriorityTaskWoken 参数

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ISR和普通的在任务调用函数不一样，以队列为例，写队列时，队列满了会发生阻塞，当向队列中写入数据时，会唤醒等待任务，其他高优先级的任务将会抢占执行
但是在ISR中，并不会阻塞，但是会唤醒等待任务，是否执行决定于xHigherPriorityTaskWoken参数

xHigherPriorityTaskWoken初始值为pdFALSE,当ISR中调用函数，唤醒等待任务后，判断xHigherPriorityTaskWoken,如果为pdTRUE的话，就开启任务调度

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多次调用ISR函数，但是我们只在最后决定是否任务切换
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使用portEND_SWITCHING_ISR 宏来切换任务

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定时器在ISR中的使用

在ISR中复位定时器，本质即是向队列发数据

ISR中使用ISR函数，并不会进入阻塞状态
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可以看到，在中断中使用ISR函数实现了按键的消抖
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资源管理

在多个任务去访问，队列、信号量、互斥量、事件组、任务通知时，每个任务在运行时都不能有其他任务的干扰
只能互斥的（独占的）运行访问

如何访问临界资源

临界资源，只能由一个任务互斥的使用的资源，就叫做临界资源

1、任务访问临界资源

比如有两个任务都去获取这个临界资源,那么访问临界资源前，首先禁止任务调度

  • taskA访问时，禁用任务调度，那么taskB就无法访问了，这时taskA就是互斥的使用临界资源
  • taskB同

2、任务和中断访问临界资源

任务和中断都可以访问临界资源，那么访问临界资源前，首先关闭中断

  • taskA先关闭中断，那么中断被屏蔽，taskA就可以互斥的访问临界资源
  • 中断运行过程中，taskA本来就无法执行，所以taskA无法抢占中断访问临界资源

中断也可以关闭其他中断，以确保临界资源始终是被当前中断所独占的

禁止任务调度

当当前task调用此函数时，任务调度器将会被禁止，此时访问临界资源时，当前任务就是独占使用（互斥）
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恢复任务调度器
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如何屏蔽中断

屏蔽中断是指屏蔽某些优先级较低的中断

Contrex M3 和 Contrex M4的中断优先级排列

复位 -3
NMI -2
硬件错误 -1
不使用SysCall的中断 0-190
使用SysCall的中断 191-255

使用SysCall的中断，是调用FreeRTOS的API的中断

屏蔽中断，只能屏蔽某一类的中断(使用到SysCall的中断)
而不能够屏蔽掉更高优先级的一类中断(没有使用到SysCall)

在使用更高优先级的中断的时候，不能够去使用到SysCall

屏蔽中断分为在中断中屏蔽和在任务中屏蔽

  • 在任务中屏蔽，使用taskENTER_CRITICA()/taskEXIT_CRITICAL()，屏蔽中断/开启中断
  • 在ISR中屏蔽中断，使用taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()/taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(),屏蔽中断or开启中断

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调试和优化

调试

FreeRTOS提供了很多种调试手段

  • 打印
  • 断言 configASSERT
  • Trace
  • Hook函数(回调函数)

1、打印（printf）

printf:FreeRTOS中使用到了Use MicroLIB库，来实现printf函数
我们只需要实现一下函数即可使用printf
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实现printf函数即可

int fputc( int ch, FILE *f );

2、断言

在一般的c语言当中，断言就是一个函数

void  assert(scalar  expression);

它的作用是，确保expression为真，如果expression为假的话就中止程序

在FreeRTOS中，使用的是configASSERT()
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比如

/*如果x为False 就让程序陷入死循环 从而阻塞运行*/
#define configASSERT(x)  if(!x) while(1);

还可以获得更多有效信息

/*如果x为False， 打印出此时的文件名，函数名，和发生err的行数*/
#define configASSERT(x)  \
	if (!x) \
	{
      
      
		printf("%s %s %d\r\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__); \
        while(1); \
 	}

configASSERT(x)中，如果x为假，表示发生了很严重的错误，必须停止系统的运行。

3、Trace

FreeRTOS中定义了很多trace开头的宏，这些宏被放在系统的关键位置

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。

4、回调函数 Hook

回调函数Hook，一般分为两种回调函数

  • Malloc Hook函数
  • 栈溢出 Hook函数
Malloc Hook函数

当malloc失败时，可以提供一个Malloc 回调函数

内存越界经常发生在堆的使用过程

堆也就是使用Malloc得到的内存

并没有很好的方法监测内存越界，但是可以提供一些回调函数

Malloc失败时，如果在FreeRTOSConfig.h里配置configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK为1，会调用回调函数

/*malloc失败时，可以调用此回调函数，可以在里面打印出相关err信息*/
void vApplicationMallocFailedHook( void );
栈溢出Hook函数

在任务的执行过程中，局部变量什么的都是存放在栈内，栈的大小可能会溢出

而栈又有一个栈顶指针和一个栈底指针，当每次入栈，SP指针就会+1

当栈顶指针的值 > 栈底指针的值时，就会溢出

如何判断栈是否溢出？

  • 方法1（比对pxTopOfStack的地址和pxStack的地址）
    • 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
    • 这种方法很高效，但是并不准确
    • 比如，任务在运行过程中，调用了函数A，大量的使用了栈，调用完A之后才被调度

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  • 方法2
    • 创建任务时，它的栈被填入固定的值，比如：0xA5 （所有的栈空间被填入0xA5）
    • 然后检测栈里最后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

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(从栈底从栈顶向上查找，对于连续16个字节的0xA5就表示是空闲的，没有被占用的，也称之为水位。

一旦查找出某一个不是0xA5，就知道了从这个字节开始，上面的栈空间都是被用过的栈)

当水位接近于0的时候，就表示栈即将溢出

优化

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。

这就是查看"任务的统计"信息

栈的使用情况

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

UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark( TaskHandle_t xTask );

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

从栈底从栈顶向上查找，对于连续16个字节的0xA5就表示是空闲的，没有被占用的，也称之为水位。

一旦查找出某一个不是0xA5，就知道了从这个字节开始，上面的栈空间都是被用过的栈)

当水位接近于0的时候，就表示栈即将溢出

一般来说，保证水位十几个字节即可

CPU的运行时间

对于同优先级的任务，它们按照时间片轮流运行：一个任务执行一个Tick，另一个任务也执行一个Tick。

不可以在tick中断中，统计当前任务的累积运行时间，因为如果有更高优先级的任务就绪后，当前任务还没运行一个完整的tick就被抢占了

使用一个定时器，让其定时周期比tick还短，比如0.1ms
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获取任务统计信息、CPU的占用率等

不使用tick中断来获取任务的运行时间，tick中断1ms一次，太慢了
使用一个较快的定时器来获得任务的运行时间，这里采用0.1ms

1、开启定时器中断

这里的定时器中断采用0.1ms一次

有点奇怪啊，我使用定时器2不行
后面一查看，原来这个FreeRTOS的源码自带的MCU的型号是
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2、配置宏

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#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1 /*初始化更快的定时器*/
/*使用更快定时器 这个宏定义在任务调度函数里使用*/
#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS  Timer3_Init  
/*得到定时器的当前时间*/
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE TimerGetCount 

/*获得任务统计信息相关宏定义*/
#define configUSE_TRACE_FACILITY 1
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1
#define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 1

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3、获取任务统计信息 or CPU占用率

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获取任务统计信息
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获取CPU占用率
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转载自blog.csdn.net/cyaya6/article/details/132539520
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