FreeRTOS在STM32中是如何使用内存的

转载自：《FeeRTOS在STM32中是如何使用内存的》

没有FreeRTOS 的时候：STM32 资源的分配：

有FreeRTOS 后（注意 FreeRTOS 的任务栈空间位于 FreeRTOS 的堆之中）：

STM32无OS编程 Stack_Size和Heap_Size大小设置的意义

其中STACK_SIZE和HEAP_SIZE在STM32的启动文件startup_stm32fxx.s中都有定义，这两个值一般的工程都不需要调整，足够使用。

 1 Stack_Size      EQU     0x400
 2  
 3                 AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
 4 Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
 5 __initial_sp
 6                                                   
 7 ; <h> Heap Configuration
 8 ;   <o>  Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
 9 ; </h>
10  
11 Heap_Size       EQU     0x200
12  
13                 AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3

在使用STM32编程时，一般情况下我们不会关注堆栈空间的大小，因为在STM32的启动文件中，已经帮我们预先设置好了堆栈空间的大小。如下图所示的启动代码中，Stack栈的大小为：0x400（1024Byte），Heap堆的大小为：0x200（512Byte）。

1，Stack Size，一般小工程0X400足够，所以默认无需设置太大，确实需要调整，可根据实际需求手动修改。
2，Heap Size，如果没有用到标准库的malloc，就是废物，纯属浪费内存，所以直接设置为0即可。

FreeRTOS中的堆

FreeRTOS中的堆也属于ZI区，但是它与STM32内存结构中的堆并不占用相同的空间，两个堆同时存在。以下出现的堆(heap)表示FreeRTOS堆，另外在STM32启动文件中定义大小的堆称为系统堆。

FreeRTOS有5种heap的实现方式，在STM32CubeMX中默认为heap_4.c。这种方式可以满足大部分使用需求，暂时不用关注其实现细节。

这一个堆的大小定义在FreeRTOSConfig.c中：

FreeRTOS创建任务时默认的任务栈大小为128字，在32位系统中即为128*4=512Byte，再加上TCB块占用84Byte，一共596Byte。而大小为3072Byte的堆允许创建3个这样的任务，占用约1800Byte。堆中剩余的部分则存放了系统内核、信号量、队列、任务通知等数据。

需要创建更多任务时，堆的大小可自行修改。用RAM的空间减去已分配的空间，即为能给堆分配的最大空间：

Space=RAM−bss−data−SysHeap−Stack

FreeRTOS堆和任务的空间分配

FreeRTOS堆和任务栈在运行中具有很强的动态性，其大小很难估计。

我们在实际使用中，可以先把空间调整得大一些。程序正常运行后，再通过一些API查看堆栈剩余的空间大小，估算程序运行中需求内存空间的最大值。最后将这个最大值乘一个安全系数，得到最终应该分配的空间大小。安全系数推荐1.3到1.5。

查看堆(heap)剩余空间的API有：

1 size_t xPortGetFreeHeapSize( void );             //获取当前未分配的内存堆大小
2 size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );     //获取未分配的内存堆历史最小值

它们返回值的单位都是字节。

需要注意的是，xPortGetFreeHeapSize()在使用heap_3.c时不能被调用；xPortGetMinimumEverFreeHeapSize()则只能在使用heap_4.c或heap_5.c时生效。

查看任务栈剩余空间的API：

UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark( TaskHandle_t xTask );

这个函数可以获取一个任务从创建好到调用此函数时，任务栈空间的历史最小剩余值(HighWaterMark)。使用这个函数时需注意，它的返回值的单位是字（STM32里1个字长为4个字节）。

这个API默认是关闭状态，需要手动在Cubemx（或配置文件中）将宏INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark置为1。

我在使用过这些API后发现，他们本身也会占用相当的内存空间，尤其是uxTaskGetStackHighWaterMark()，会拖慢任务运行速度。所以在程序的正式版中，应该将他们删除。

任务栈空间和FreeRTOS堆空间优化

以上关系搞清楚，那么又该如何定heap的空间大小呢，可以先进行一个粗略的计算，假设任务1分配2kbytes栈，任务2分配3kbytes栈，队列大概占1k，用户malloc大概2k，这么算一共就是8k。那么在资源有限的情况下可以先把heap空间分个15k。

通过在任务函数中加入之前提到的3个API：

1 size_t xPortGetFreeHeapSize( void );             //获取当前未分配的内存堆大小
2 size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );     //获取未分配的内存堆历史最小值
3 UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark( TaskHandle_t xTask ); //查看任务栈空间的历史最小值

就可以打印出来该任务自启动起来最小剩余栈空间大小。然后我们就可以计算出最大使用的大小，一般可以再乘以1.5左右作为最终分配的值。需要注意的是该函数不像前面两个返回的是bytes，而返回的以字为单位，真实的bytes需要乘以4。所以总体的原则就是：先分大再调小最终把它确定好。