freertos系统栈溢出检测机制简述

FreeRTOS 提供了多种特性来辅助跟踪调试栈相关的问题。

uxTaskGetStackHighWaterMark()函数

每个任务都独立维护自己的栈空间，栈空间总量在任务创建时进行设定。
uxTaskGetStackHighWaterMark() 主要用来查询指定任务的运行历史中，其栈空间还差
多少就要溢出。这个值被称为栈空间的”高水线(High Water Mark)”。

uxTaskGetStackHighWaterMark() API 函数原型如下：

unsigned portBASE_TYPE uxTaskGetStackHighWaterMark( xTaskHandle xTask);

运行时栈侦测

概述

FreeRTOS 包含两种运行时栈侦测机制，由 FreeRTOSConfig.h 中的配置常量
configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 进行控制。这两种方式都会增加上下切换开销。

栈溢出钩子函数(或称回调函数)由内核在侦测到栈溢出时调用。要使用栈溢出钩子函数，需要进行以下配置：

• 在 FreeRTOSConfig.h 中把 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设为 1 或 2。
• 提供钩子函数的具体实现，采用如下的函数名和函数原型。

 void vApplicationStackOverflowHook( xTaskHandle *pxTask, signed portCHAR *pcTaskName );

1. 栈溢出钩子函数只是为了使跟踪调试栈空间错误更容易，而无法在栈溢出时对其进
   行恢复。函数的入口参数传入了任务句柄和任务名，但任务名很可能在溢出时已经遭到
   破坏。
2. 栈溢出钩子函数还可以在中断的上下文中进行调用。
3. 某些微控制器在检测到内存访问错误时会产生错误异常，很可能在内核调用栈溢出
   钩子函数之前就触发了错误异常中断

运行时栈侦测方法

方法1

当 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设置为 1 时选用方法 1。

任务被交换出去的时候，该任务的整个上下文被保存到它自己的栈空间中。这时任 务栈的使用应当达到了一个峰值。当configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设为 1时，内核会在任务上下文保存后检查栈指针是否还指向有效栈空间。 一旦检测到栈指 针的指向已经超出任务栈的有效范围，栈溢出钩子函数就会被调用。

方法 1 具有较快的执行速度，但栈溢出有可能发生在两次上下文保存之间，这种情
况不会被侦测到。

方法2

将 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设为 2 就可以选用方法 2。方法 2
在方法 1 的基础上进行了一些补充。

当创建任务时，任务栈空间中就预置了一个标记。方法 2 会检查任务栈的最后 20 个字节，查看预置在这里的标记数据是否被覆盖。如果最后20 个字节的标记数据与预 设值不同，则栈溢出钩子函数就会被调用。

方法 2 没有方法 1 的执行速度快，但测试仅仅 20 个字节相对来说也是很快的。这
种方法应该可以侦测到任何时候发生的栈溢出，虽然理论上还是有可能漏掉一些情况，
但这些情况几乎是不可能发生的。

局限性

无论方法1、方法2都是在任务进行切换时执行，存在局限性：

• 任务执行的过程中出现过栈溢出，但任务切换前栈指针又恢复到了正常水平（方法1）
• 任务栈末尾的 16 个字节没有用到，即不会被修改，但是任务栈已经溢出了（方法2）
• 任务栈溢出后，把系统中的重要数据修改了导致系统直接进入Hardfault（方法1、2）