基于RTOS的应用中,每个任务都拥有自己的堆栈空间。堆栈设置过大,会造成内存资源浪费;设置过小,可能导致运行过程中的任务栈溢出,从而导致一些奇怪的系统行为。
事实上,当应用程序行为“奇怪”时,我们首先想到的就是堆栈大小不足。
但任务所需的堆栈大小与具体应用相关,如何确定任务堆栈的大小?
通过分析任务实现,我们可以通过手动计算的方法获取任务所需的堆栈空间:
1.所有函数嵌套调用所需的内存
对于每个层级的函数调用:
根据CPU架构,存储一个指向函数调用返回地址的指针。一些CPU实际上将函数返回地址保存在特殊寄存器中(通常称为链接寄存器LR)。但如果该函数嵌套调用其它函数,则调用者必须保存链接寄存器的内容,因此,计算时我们假设指针也被压入堆栈。
函数调用时,传递参数所需的内存。参数通常使用寄存器传递,但同样,如果一个函数调用其它函数,寄存器内容需要保存到堆栈中。因此,假设使用堆栈传递所有参数以确定任务堆栈的大小。
存储函数的局部变量所需内存空间。
用于函数运行过程中内部状态保存所需的堆栈空间。
2.完整的CPU上下文存储空间,上下文通常指CPU的寄存器现场,如果需要FPU功能,还需保存相应的FPU寄存器
3.中断处理现场保存。如果没有独立的中断堆栈,还需在任务堆栈中为每个可能嵌套的ISR增加存储CPU上下文的空间,以及ISR中的局部变量所需的堆栈空间。
将所有这些信息加起来是一件繁琐的工作,而得到的数字仅是堆栈的最低需求。计算是假定已知代码的确切路径,但有时并不可能。例如调用printf()函数时,很难猜测printf()需要多少堆栈空间。为了应用安全,我们还需要在计算值的基础上,乘以一些安全系数,如1.5到2.0。推算出任务堆栈值后,我们可以通过调试手段进一步优化设置。
许多IDE的调试器都提供了内核感知插件,该插件允许用户查看某些内核数据结构如任务的状态,如图1所示,IAR提供了FreeRTOS感知插件。通过IDE的内核感知插件,应用停止运行时,可以查看当前任务堆栈使用情况,基于插件提供的信息调整任务堆栈设置,但只能获得某个瞬间的快照。
图1IDE提供的内核感知功能
为了实时监控任务堆栈使用,优化堆栈设置,我们还可以借助RTOS的可视化分析工具,如Tracealyzer,在运行时监控堆栈使用情况。通过堆栈使用视图显示随时间的变化,每个任务使用或未使用的堆栈数量,从而调整任务堆栈设置,优化内存使用。
图2Tracealyzer的堆栈使用捕获
一般来说,任务堆栈可以从一个比较大的堆栈空间开始,在运行时监视堆栈空间的使用情况,以查看应用程序运行一段时间后实际使用了多少堆栈空间。基于可视化分析,用户可以更清晰直观的掌握系统中内存的使用情况,进而开发出更高质量的代码。
审核编辑 :李倩
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原文标题:如何设置RTOS任务的堆栈大小?
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