uCOS-III任务堆栈溢出检测及统计任务堆栈使用量的方法【转载】

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uCOS-III任务堆栈溢出检测及统计任务堆栈使用量的方法

1. 在操作系统任务设计的时候，通常会遇到一个比较麻烦的问题，也就是任务堆栈大小设定的问题，为此我们我需要知道一些问题：
   1.1. 任务堆栈一但溢出，意味着系统的崩溃，在有MMU或者MPU的系统中，对堆栈溢出的检测十分简单，因为这是MMU和MPU必备的功能之一。（uCOS-II/uCOS-III中均有针对没有MMU和MPU的处理器对堆栈溢出检测的策略）

1.2. 堆栈的大小取决于该任务的需求。设定堆栈大小时，你就需要考虑：所有可能被堆栈调用的函数及其函数的嵌套层数，相关局部变量的大小，中断服务程序所需要的空间。另外，堆栈还需存入CPU寄存器，如果处理器有浮点数单元FPU寄存器的话还需存入FPU寄存器。（PS：出于这点，所以在嵌入式系统中有个潜规则，避免写递归函数）

1.3. 虽然任务堆栈大小可以通过人工计算出来，但是要考虑的太多，而且不能十分精确的计算。比如逐级嵌套被调用的函数的参数使用，上下文切换时候的CPU寄存器空间的保存，中断时CPU寄存器空间的保存和中断处理函数的堆栈空间等等，未免太过麻烦。特别的，当任务中使用了printf()之类参数可变的函数，那么统计起来就更困难了。所以这种方式怎么看怎么不现实。囧 。

1.4. 建议在不是很精确的确定任务堆栈使用大小(stk_size)的情况下，还是采取stk_size乘以1.5或者2.0的做法，以保证任务的正常运行。

1. uCOS-III任务堆栈溢出检测原理
   每个任务都有自己的TCB(Task Control Block 任务控制块)，TCB结构定义在uCOS-III源码(我使用的是V3.03.00版本)中的os.h中。TCB中有个StkLimitPtr成员。
   假设在切换到任务S前，代码会检测将要被载入CPU堆栈指针的值是否超出该任务S的TCB中StkLimitPtr限制。因为软件不能在溢出时就迅速地做出反应，所以应该设置StkLimitPtr的值尽可能远离&MyTaskStk[0]，保证有足够的溢出缓冲。如下图。软件检测不会像硬件检测那样有效，但也可以防止堆栈溢出。当uC/OS-III从一个任务切换到另一个任务的时候，它会调用一个hook函数OSTaskSwHook()，它允许用户扩展上下文切换时的功能。所以，如果处理器没有硬件支持溢出检测功能，就可以在该hook函数中添加代码软件模拟该能。
   不过我个人的做法是，通常设置StkLimitPtr指向任务栈大小的90%处，然后获取任务堆栈使用量，如果栈使用率大于90%时就必须做出警告了！下面就来介绍任务栈使用量的获取。
   
2. uCOS-III任务堆栈使用量统计的原理和方法
   3.1 原理
   原理其实很简单，就是统计连续为0的区域的大小就可以知道空闲栈free的大小，而任务在创建时任务栈总量TaskStkSize是确定的，那么使用了的栈大小used = TaskStkSize - free。
   首先，当任务创建时其堆栈被清零。然后，通过一个低优先级任务，计算该任务整个堆栈中值为0的内存大小。如果发现都不为0，那么就需要扩展堆栈的大小。然后，调整堆栈为的相应大小。这是一种非常有效的方法。注意的是，程序需用运行很长的时间以让堆栈达到其需要的最大值。
   见图2。
   
   3.2 方法
   uC/OS-III提供了一个函数OSTaskStkChk()用于实现这个计算功能。那么就来看看具体怎么做吧。
   3.2.1 首先创建一个任务来运行任务堆栈统计工作，值得注意的是，这个任务的优先级建议设置为系统所有任务中最低的一个！

#define  SystemDatasBroadcast_PRIO            12 // 统计任务优先级最低，我这里是12，已经低于其他任务的优先级了  
#define  SystemDatasBroadcast_STK_SIZE       100 // 任务的堆栈大小，做统计一般够了，统计结果出来后不够再加..  
OS_TCB  SystemDatasBroadcast_TCB;        // 定义统计任务的TCB  
CPU_STK SystemDatasBroadcast_STK [SystemDatasBroadcast_STK_SIZE];// 开辟数组作为任务栈给任务使用  

static  void  AppTaskCreate(void)  
{  
  // .....  
  // 这是系统创建任务的函数，还有其他任务创建的代码，这里就不贴出了  
  // .....  

  OSTaskCreate( (OS_TCB     *)&SystemDatasBroadcast_TCB,  
                (CPU_CHAR   *)"SystemDatasBroadcast",  
                (OS_TASK_PTR ) SystemDatasBroadcast,  
                (void       *) 0,  
                (OS_PRIO     ) SystemDatasBroadcast_PRIO,  
                (CPU_STK    *)&SystemDatasBroadcast_STK[0],  
                (CPU_STK_SIZE) SystemDatasBroadcast_STK_SIZE/10,/*栈溢出临界值我设置在栈大小的90%处*/  
                (CPU_STK_SIZE) SystemDatasBroadcast_STK_SIZE,  
                (OS_MSG_QTY  ) 0,  
                (OS_TICK     ) 0,  
                (void       *) 0,  
                (OS_OPT      )(OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR),   
                (OS_ERR     *) &err);     
}  

3.2.2 然后在任务函数SystemDatasBroadcast()中开始统计各个任务的栈使用。
在uCOS-III中提供了函数

void OSTaskStkChk(OS_TCB  *p_tcb, CPU_STK_SIZE *p_free, CPU_STK_SIZE  *p_used, OS_ERR  *p_err); 

调用上面这个函数就能获取到指定任务的堆栈使用量。其中
*p_tcb：指向任务的TCB块
*p_free：任务空闲的堆栈字节数
*p_used：任务使用的堆栈字节数
*p_err：函数执行结果代码
特别提示，如果想要使用这个功能，那么必须在os_cfg.h这个操作系统配置文件中打开宏：

#define OS_CFG_STAT_TASK_STK_CHK_EN     1u   /* Check task stacks from statistic task  

任务函数SystemDatasBroadcast()的代码如下：

void  SystemDatasBroadcast (void *p_arg)  
{  
  OS_ERR err;  
  CPU_STK_SIZE free,used;  
  (void)p_arg;  
  while(DEF_TRUE)  
  {  
    OSTaskStkChk (&SystemDatasBroadcast_TCB,&free,&used,&err);//  把统计任务本身的堆栈使用量也打印出来  
                                  // 然后从实验结果看看我们设置100字节给它是不是真的合适  
    printf("SystemDatasBroadcast  used/free:%d/%d  usage:%%%d\r\n",used,free,(used*100)/(used+free));  

    OSTaskStkChk (&Core_Page_TCB,&free,&used,&err);  
    printf("Core_Page             used/free:%d/%d  usage:%%%d\r\n",used,free,(used*100)/(used+free));  

    OSTaskStkChk (&GUIActive_TCB,&free,&used,&err);  
    printf("GUIActive             used/free:%d/%d  usage:%%%d\r\n",used,free,(used*100)/(used+free));  

    OSTaskStkChk (&KeyCheck_Process_TCB,&free,&used,&err);  
    printf("KeyCheck              used/free:%d/%d  usage:%%%d\r\n",used,free,(used*100)/(used+free));  

    OSTaskStkChk (&Light_Adjust_TCB,&free,&used,&err);  
    printf("Light_Adjust          used/free:%d/%d  usage:%%%d\r\n",used,free,(used*100)/(used+free));  

    OSTaskStkChk (&Calibrate_Process_TCB,&free,&used,&err);  
    printf("Calibrate             used/free:%d/%d  usage:%%%d\r\n",used,free,(used*100)/(used+free));  


    OSTaskStkChk (&Data_Process_TCB,&free,&used,&err);  
    printf("Data_Process          used/free:%d/%d  usage:%%%d\r\n",used,free,(used*100)/(used+free));  

    printf("\r\n\r\n\r\n");  
    OSTimeDlyHMSM(0,0,5,0,(OS_OPT)OS_OPT_TIME_DLY,(OS_ERR*)&err);  
   }  
}  

3.2.3实验结果
上述代码的实验结果如下图所示，可以清楚的看到每个任务的堆栈的使用状况。从结果中我们看到SystemDataBroadcast任务的100字节的任务栈只用了58字节，使用率为58%，还有近一半的富余，100字节其实是合适了的，而 58X1.5 = 87，58X2.0 = 116, [87,116]之间取一个数，就取100吧，嘿嘿！当然随着任务功能的增加，堆栈的使用量也会随之增加，在程序设计调试阶段，最好谨慎的多查看任务栈使用的情况以便做出调整，当程序设计并测试完成后这些代码都可以去掉，然后软件进入发布阶段。
但是请遵循一个原则：必须让系统运行足够久，比如尽量让系统处于不同的运行状态下，然后观察任务堆栈使用的变化，找到堆栈的最高使用率，然后根据上文所说的原则按需重新分配新的任务堆栈大小。

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