FreeRTOS 内存优化

内存使用情况分析

下面根据两个LED灯闪烁的程序，分析内存使用情况

void vLED1Task(void *pvParameters)
{
	while(1)
	{
		HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_SET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
		HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
	}
	vTaskDelete(NULL);
}
 
void vLED2Task(void *pvParameters)
{
	while(1)
	{
		HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_SET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
		HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
	}
	vTaskDelete(NULL);
}
 
/* USER CODE BEGIN 2 */
xTaskCreate(vLED1Task, "LED1", 128, NULL, 1, NULL);
xTaskCreate(vLED2Task, "LED2", 128, NULL, 1, NULL);
vTaskStartScheduler();//启用调度器
/* USER CODE END 2 */

编译成功后，在下面得到编译结果：

在STM32中，SRAM被分为以下四个区域：

.data段	.bss段	.heap段		.stack段
			未分配的内存区域
存放有初始值的 全局变量/静态变量	存放没有初始值的 全局变量/局部变量	存放堆 malloc()/free()		存放栈 函数调用的返回地址、局部变量、参数 main()/中断服务程序

编译结果有5个区域：

text	data	bss	dec	hex
只读数据的大小 包括代码/常量 存储在Flash中	.data段的大小 上方图片中data段的大小为16字节	bss段+heap段+stack段的大小

由于编译结果现实的bss包括了.bss段+.heap段+.stack段的大小，因此想计算.bss段的大小时，需要减去.heap段+.stack段的大小。
.heap段+.stack段的大小可以在CubeIDE的配置界面查看，下图中Minimum Heap Size为.heap段大小，Minimum Stack Size为.stack段大小：

上图中，Minimum Heap Size设置为0x200，即512字节，Minimum Stack Size设置为0x400，即1024字节。（16进制转换为10进制）
因此，.bss段的大小为：7552 - 512 - 1024 = 6016字节

由于STM32F103ZET6的内存SRAM总大小为64KB，即64 × 1024 = 65536字节
可以计算未分配内存的大小为：65536 - .data段 - .bss段 - .heap段 - .stack段 = 65535 - 16 - 6016 - 512 - 1024 = 57967字节 ≈ 56.608 KB

刚才的两个LED闪灯的程序，使用的是heap_4内存管理方案。
heap_4创建了ucHeap数组，作为堆内存，它是一个静态全局变量：

PRIVILEGED_DATA static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];

堆内存的大小由configTOTAL_HEAP_SIZE这个配置项决定。
由于ucHeap是一个静态全局变量，且没有赋初值，所以存在.bss段中。

ucHeap数组长度由configTOTAL_HEAP_SIZE的值决定，可以在FreeRTOS的配置文件中找到：

#define configTOTAL_HEAP_SIZE 4096

默认长度配置为4096，因此ucHeap数组长度为4096字节。

FreeRTOS的内核对象保存在ucHeap数组中，上方的LED闪灯程序，就有LED1、LED2、空闲任务、定时器任务、定时器命令队列任务这5个任务。
比如调用LED的任务创建时，实际动态分配了两部分的内存，一部分是TCB任务控制块（约100字节），另一部分是任务栈（任务栈深度×4个字节），即调用了两次pvPortMalloc()分配内存。

因此，全部的内核对象存在ucHeap中：

堆内存管理方案的选择

heap_1~heap_5都有其特点，只能使用一种。
FreeRTOS提供的五种堆内存管理方案，只有Heap_1和Heap_4比较常用，其他的极少会用到。

heap_1

极简的堆内存管理方案，适用只分配内存，但不释放内存的场景。
基于性能考虑，可以使用。

heap_4

推荐的管理方案，既可以创建又可以删除。
默认使用heap_4。

调整堆的大小

FreeRTOS和裸机程序的一个区别是，FreeRTOS会有一个自行管理的堆ucHeap，位于.bss段，长度由配置项configTOTAL_HEAP_SIZE决定。

打开Core -> Inc -> FreeRTOSConfig.h，修改下面的配置：

/* Sets the total size of the FreeRTOS heap, in bytes, when heap_1.c, heap_2.c
* or heap_4.c are included in the build. This value is defaulted to 4096 bytes but
* it must be tailored to each application. Note the heap will appear in the .bss
* section. See https://www.freertos.org/a00111.html. */
 
#define configTOTAL_HEAP_SIZE 4096

默认值为4096，即FreeRTOS堆的大小为4096字节。
应该根据项目的需要，去修改这个值。存储的内核对象越多，占用的堆内存越多，因此configTOTAL_HEAP_SIZE越大。因该设置一个合适的值，如果设置过大，会有大量空间用不到，造成浪费；如果设置过小，内存不够，任务创建会失败。

创建任务时使用的xTaskCreate，返回值BaseType_t，会有两种结果，一种是pdPASS代表任务创建成功，另一种返回errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY内存创建失败。
参考下方程序：

BaseType_t xReturn;//声明一个变量接收返回值
 
//创建LED1闪灯任务
xReturn = xTaskCreate(vLED1Task, "LED1", 128, NULL, 1, NULL);
//使用configASSERT()进行断言，断言失败会卡在这一行，调试时及时发现
configASSERT( xReturn == pdPASS );
 
//创建LED2闪灯任务
xReturn = xTaskCreate(vLED2Task, "LED2", 128, NULL, 1, NULL);
//使用configASSERT()进行断言，断言失败会卡在这一行，调试时及时发现
configASSERT( xReturn == pdPASS );

此时，有五个任务：空闲任务、定时器任务、LED1、LED2、定时器命令队列。
定时器任务和定时器命令队列可以关闭，如果没有使用到，通过configUSE_TIMERS关闭：

/* Set configUSE_TIMERS to 1 to include software timer functionality in the
* build. Set to 0 to exclude software timer functionality from the build. The
* FreeRTOS/source/timers.c source file must be included in the build if
* configUSE_TIMERS is set to 1. Default to 0 if left undefined. See
* https://www.freertos.org/RTOS-software-timer.html. */
 
#define configUSE_TIMERS 1

如果希望准确地获得configTOTAL_HEAP_SIZE的值，通过下方接口获得：

//作用：获取当前堆内存的剩余量
//返回：获取堆内存的大小，单位是字节
size_t xPortGetFreeHeapSize( void )

//作用：获取历史以来堆内存的最小剩余量
//返回：历史以来堆内存的最小剩余量，单位是字节
size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void )

使用串口打印当前堆内存的剩余量和历史以来堆内存的最小剩余量：

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
void vLED1Task(void *pvParameters)
{
	while(1)
	{
		HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_SET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
		HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
	}
	vTaskDelete(NULL);
}
 
void vLED2Task(void *pvParameters)
{
	while(1)
	{
		HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_SET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
		HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
	}
	vTaskDelete(NULL);
}
 
void vSystemInfoTask(void *pvParameters)
{
	char buffer[64];
	size_t current,minimum;
 
	for(;;)
	{
		//打印当前堆内存剩余的字节数
		current = xPortGetFreeHeapSize();
		sprintf(buffer,"当前堆内存剩余 = %d\n",current);
		HAL_UART_Transmit(&huart1, (const uint8_t *)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY);
 
		//打印历史最小剩余堆内存
		minimum = xPortGetMinimumEverFreeHeapSize();
		sprintf(buffer,"历史最小剩余堆内存 = %d\n",minimum);
		HAL_UART_Transmit(&huart1, (const uint8_t *)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY);
 
		//间隔1s打印一次
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
	}
}
/* USER CODE END 0 */
 
 
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  BaseType_t xReturn;//声明一个变量接收返回值
 
  //创建LED1闪灯任务
  xReturn = xTaskCreate(vLED1Task, "LED1", 128, NULL, 1, NULL);
  //使用configASSERT()进行断言，断言失败会卡在这一行，调试时及时发现
  configASSERT( xReturn == pdPASS );
 
  //创建LED2闪灯任务
  xReturn = xTaskCreate(vLED2Task, "LED2", 128, NULL, 1, NULL);
  //使用configASSERT()进行断言，断言失败会卡在这一行，调试时及时发现
  configASSERT( xReturn == pdPASS );
 
  //创建System Info任务
  xReturn = xTaskCreate(vSystemInfoTask, "System Info", 128, NULL, 1, NULL);
  //使用configASSERT()进行断言，断言失败会卡在这一行，调试时及时发现
  configASSERT( xReturn == pdPASS );
 
  vTaskStartScheduler();//启用调度器
  /* USER CODE END 2 */

串口助手接收到的结果：