uCOS-III任务堆栈溢出很麻烦,看完这篇文章轻松搞定

原创
2020/09/03 15:20
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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。

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。

2. 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。

图1

3. 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。

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!

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:

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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