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uCOS-III任務堆疊溢位檢測及統計任務堆疊使用量的方法

1. 在作業系統任務設計的時候，通常會遇到一個比較麻煩的問題，也就是任務堆疊大小設定的問題，為此我們我需要知道一些問題：
   1.1. 任務堆疊一但溢位，意味著系統的崩潰，在有MMU或者MPU的系統中，對堆疊溢位的檢測十分簡單，因為這是MMU和MPU必備的功能之一。（uCOS-II/uCOS-III中均有針對沒有MMU和MPU的處理器對堆疊溢位檢測的策略）

1.2. 堆疊的大小取決於該任務的需求。設定堆疊大小時，你就需要考慮：所有可能被堆疊呼叫的函式及其函式的巢狀層數，相關區域性變數的大小，中斷服務程式所需要的空間。另外，堆疊還需存入CPU暫存器，如果處理器有浮點數單元FPU暫存器的話還需存入FPU暫存器。（PS：出於這點，所以在嵌入式系統中有個潛規則，避免寫遞迴函式）

1.3. 雖然任務堆疊大小可以通過人工計算出來，但是要考慮的太多，而且不能十分精確的計算。比如逐級巢狀被呼叫的函式的引數使用，上下文切換時候的CPU暫存器空間的儲存，中斷時CPU暫存器空間的儲存和中斷處理函式的堆疊空間等等，未免太過麻煩。特別的，當任務中使用了printf()之類引數可變的函式，那麼統計起來就更困難了。所以這種方式怎麼看怎麼不現實。囧 。

1.4. 建議在不是很精確的確定任務堆疊使用大小(stk_size)的情況下，還是採取stk_size乘以1.5或者2.0的做法，以保證任務的正常執行。

1. uCOS-III任務堆疊溢位檢測原理
   每個任務都有自己的TCB(Task Control Block 任務控制塊)，TCB結構定義在uCOS-III原始碼(我使用的是V3.03.00版本)中的os.h中。TCB中有個StkLimitPtr成員。
   假設在切換到任務S前，程式碼會檢測將要被載入CPU堆疊指標的值是否超出該任務S的TCB中StkLimitPtr限制。因為軟體不能在溢位時就迅速地做出反應，所以應該設定StkLimitPtr的值儘可能遠離&MyTaskStk[0]，保證有足夠的溢位緩衝。如下圖。軟體檢測不會像硬體檢測那樣有效，但也可以防止堆疊溢位。當uC/OS-III從一個任務切換到另一個任務的時候，它會呼叫一個hook函式OSTaskSwHook()，它允許使用者擴充套件上下文切換時的功能。所以，如果處理器沒有硬體支援溢位檢測功能，就可以在該hook函式中新增程式碼軟體模擬該能。
   不過我個人的做法是，通常設定StkLimitPtr指向任務棧大小的90%處，然後獲取任務堆疊使用量，如果棧使用率大於90%時就必須做出警告了！下面就來介紹任務棧使用量的獲取。
   
2. uCOS-III任務堆疊使用量統計的原理和方法
   3.1 原理
   原理其實很簡單，就是統計連續為0的區域的大小就可以知道空閒棧free的大小，而任務在建立時任務棧總量TaskStkSize是確定的，那麼使用了的棧大小used = TaskStkSize - free。
   首先，當任務建立時其堆疊被清零。然後，通過一個低優先順序任務，計算該任務整個堆疊中值為0的記憶體大小。如果發現都不為0，那麼就需要擴充套件堆疊的大小。然後，調整堆疊為的相應大小。這是一種非常有效的方法。注意的是，程式需用執行很長的時間以讓堆疊達到其需要的最大值。
   見圖2。
   
   3.2 方法
   uC/OS-III提供了一個函式OSTaskStkChk()用於實現這個計算功能。那麼就來看看具體怎麼做吧。
   3.2.1 首先建立一個任務來執行任務堆疊統計工作，值得注意的是，這個任務的優先順序建議設定為系統所有任務中最低的一個！

#define  SystemDatasBroadcast_PRIO            12 // 統計任務優先順序最低，我這裡是12，已經低於其他任務的優先順序了  
#define  SystemDatasBroadcast_STK_SIZE       100 // 任務的堆疊大小，做統計一般夠了，統計結果出來後不夠再加..  
OS_TCB  SystemDatasBroadcast_TCB;        // 定義統計任務的TCB  
CPU_STK SystemDatasBroadcast_STK [SystemDatasBroadcast_STK_SIZE];// 開闢陣列作為任務棧給任務使用  

static  void  AppTaskCreate(void)  
{  
  // .....  
  // 這是系統建立任務的函式，還有其他任務建立的程式碼，這裡就不貼出了  
  // .....  

  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,/*棧溢位臨界值我設定在棧大小的90%處*/  
                (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 然後在任務函式SystemDatasBroadcast()中開始統計各個任務的棧使用。
在uCOS-III中提供了函式

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

呼叫上面這個函式就能獲取到指定任務的堆疊使用量。其中
*p_tcb：指向任務的TCB塊
*p_free：任務空閒的堆疊位元組數
*p_used：任務使用的堆疊位元組數
*p_err：函式執行結果程式碼
特別提示，如果想要使用這個功能，那麼必須在os_cfg.h這個作業系統配置檔案中開啟巨集：

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

任務函式SystemDatasBroadcast()的程式碼如下：

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);//  把統計任務本身的堆疊使用量也打印出來  
                                  // 然後從實驗結果看看我們設定100位元組給它是不是真的合適  
    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實驗結果
上述程式碼的實驗結果如下圖所示，可以清楚的看到每個任務的堆疊的使用狀況。從結果中我們看到SystemDataBroadcast任務的100位元組的任務棧只用了58位元組，使用率為58%，還有近一半的富餘，100位元組其實是合適了的，而 58X1.5 = 87，58X2.0 = 116, [87,116]之間取一個數，就取100吧，嘿嘿！當然隨著任務功能的增加，堆疊的使用量也會隨之增加，在程式設計除錯階段，最好謹慎的多檢視任務棧使用的情況以便做出調整，當程式設計並測試完成後這些程式碼都可以去掉，然後軟體進入釋出階段。
但是請遵循一個原則：必須讓系統執行足夠久，比如儘量讓系統處於不同的執行狀態下，然後觀察任務堆疊使用的變化，找到堆疊的最高使用率，然後根據上文所說的原則按需重新分配新的任務堆疊大小。

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