c - 嵌入式软件 : Exception occurs when calling function inside a task

Question

我是嵌入式软件的初学者。我尝试使用 C 代码和基于 ARM Cortex-M4F 的 MCU Tiva C LaunchPad 构建简单的实时操作系统内核，并在 IAR Embedded Workbench IDE 中运行。

系统可以支持 3 个任务，任务 A 使红色 LED 闪烁，任务 B 使蓝色 LED 闪烁，任务 C 使绿色 LED 闪烁。任务以循环方式安排。它使用 SysTick 每秒触发一次 PendSV 进行上下文切换。

以下代码可以很好地按预期使 LED 闪烁。

#include "include/tm4c_cmsis.h" 
#include <intrinsics.h>
#define SYS_CLOCK_HZ 16000000U

#define LED_RED   (1U << 1)
#define LED_BLUE  (1U << 2)
#define LED_GREEN (1U << 3)

#define MAX_TASK_NUM 3
#define MAX_TASK_SIZE 0x40

int OSStack[MAX_TASK_NUM][MAX_TASK_SIZE] __attribute__ ((aligned (4)));
void task_A();
void task_B();
void task_C();

/* Task Control Block (TCB) */
typedef struct {
    int *sp; /* stack pointer */
    int status;  // 0: does not exists, 1: created, 2: running
} OSTask;

OSTask OSTask_List[MAX_TASK_NUM];

int OS_curr; /* index of the current task */
int OS_next;

int OS_tn; // total task number
int *sp_curr;
int *sp_next;

void OSInit(){
  // configure GPIOF for LED blinking
  SYSCTL->RCGC2  |= (1U << 5);  
  GPIOF->DIR |= (1<<3)|(1<<2)|(1<<1);           
  GPIOF->DEN |= (1<<3)|(1<<2)|(1<<1);

  SysTick->LOAD = SYS_CLOCK_HZ - 1;
  SysTick->VAL =  0; 
  SysTick->CTRL = (1U << 2) | (1U << 1) | 1;  
  
  OS_tn = 0;
}


void OSCreateTask(void* taskH){

    int n=OS_tn;
    OS_tn++;

    int* p = (int *) OSStack;
    
    OSTask_List[n].sp   = p + ((n+1) * MAX_TASK_SIZE);
    
    // init the stack for each task
    *(--OSTask_List[n].sp) = (1U << 24);  /* xPSR */
    *(--OSTask_List[n].sp) = (uint32_t)taskH; /* PC */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x0000000EU + n*16; /* LR  */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x0000000CU + n*16; /* R12 */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x00000003U + n*16; /* R3  */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x00000002U + n*16; /* R2  */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x00000001U + n*16; /* R1  */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x00000000U + n*16; /* R0  */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x0000000BU + n*16; /* R11 */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x0000000AU + n*16; /* R10 */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x00000009U + n*16; /* R9 */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x00000008U + n*16; /* R8 */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x00000007U + n*16; /* R7 */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x00000006U + n*16; /* R6 */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x00000005U + n*16; /* R5 */
    *(--OSTask_List[n].sp) = 0x00000004U + n*16; /* R4 */
}

// cannot create tasks out of order
void OSSchd(){
  if (OS_curr == OS_tn-1)
    OS_next = 0;
  else 
    OS_next = OS_curr + 1;
  sp_curr = OSTask_List[OS_curr].sp;
  sp_next = OSTask_List[OS_next].sp;
  *(volatile uint32_t  *)0xE000ED04 = (1U << 28);  
}

void PendSV_Handler(void) {
    asm("PUSH {r4-r11}");  
    asm("LDR r3, =sp_curr");
    asm("STR sp, [r3,#0x00]");
    asm("LDR r3, =sp_next");
    asm("LDR sp, [r3,#0x00]");
    OS_curr =  OS_next;     
    asm("POP {r4-r11}");    
}

void SysTick_Handler(void) {
  GPIOF->DATA = 0;
  OSSchd();
}

void lightRed(void){
  GPIOF->DATA_Bits[LED_RED] ^= LED_RED;
}
    
int main() {

    
    OSInit();
    
    OSCreateTask((void *)task_A);
    OSCreateTask((void *)task_B);
    OSCreateTask((void *)task_C);
    
    __enable_interrupt();
    while (1) {
    }
}

void task_A() {
  while (1) {
      //lightRed();
      GPIOF->DATA_Bits[LED_RED] ^= LED_RED;

  }
}

void task_B() {
  while (1) {
      GPIOF->DATA_Bits[LED_BLUE] ^= LED_BLUE;

  }
}

void task_C() {   
  while (1) {
      GPIOF->DATA_Bits[LED_GREEN] ^= LED_GREEN;

  }
}

但是，当我尝试通过如下调用函数 lightRed() 来更改 task_A 中的代码时:

void lightRed(void){
  GPIOF->DATA_Bits[LED_RED] ^= LED_RED;
}
...
void task_A() {
  while (1) {
      lightRed();
  }
}

三个 LED 仅闪烁 2 个周期，没有进一步响应。我停止执行代码，调试器显示以下问题:

: HardFault exception. 
: The processor has escalated a configurable-priority exception to HardFault. 
: An integrity check error has occurred on EXC_RETURN (CFSR.INVPC). 
: Exception occured at PC = 0x7, LR = 0x1000000 
: See the call stack for more information. 
: The stack pointer for stack 'CSTACK' (currently 0x200000E0) is outside the stack range (0x20000330 to 0x20000B30) 

另外，调用栈如下:

->  [__iar_zero_init3 + 0x39]
    <Exception frame>   
    [__vector_table + 0x7]      

我该如何解决这个问题？

Answer 1

这很恰当，绝对是堆栈溢出的情况。您收到的调试消息有些虚假；给定的有效堆栈范围(0x20000330 到 0x20000B30)可能是主堆栈的配置范围，您没有使用它(您的所有任务都使用 OSStack 数组中的堆栈)。

您已经为每个任务的堆栈分配了 64 个字节 (0x40)。您为挂起的任务定义的堆栈帧的大小已经是 64 字节，而且是在它执行任何操作之前。如果一个任务正在运行，并且已经将任何堆栈空间用于任何事情，那么当它被挂起时，它将使用额外的 64 字节在它当时正在使用的任何东西之上。这几乎可以保证您在任何重要任务上都会发生堆栈溢出，在这种情况下，只要您将函数调用引入 task_A()，您就会强制它使用堆栈。

立即修复很简单:只需增加 MAX_TASK_SIZE 常量的值即可。

顺便说一句，Cortex-M4 具有双堆栈功能，因此您可以配置线程模式代码以使用与处理程序模式代码不同的堆栈。这可以简化对堆栈使用情况的分析并减少所需的任务堆栈大小，因为中断服务例程不会将任务堆栈用作其本地存储。您的上下文切换几乎可以保持不变，但必须读取和写入 PSP 来获取和修改任务堆栈指针，而不是仅仅使用 sp。