100 篇文章精通 STM32F103（第 20 篇）：FreeRTOS 系统监控与故障处理 —— 长期稳定运行保障实战

大家好！在前 19 篇中，我们掌握了 FreeRTOS 的任务调度、同步机制与中断交互，但当系统长期运行（如工业设备、智能家居控制器）时，隐藏的问题会逐渐暴露：任务栈溢出导致数据错乱、内存泄漏耗尽系统资源、高优先级任务饥饿导致功能失效…… 这些问题难以复现，却会直接导致系统崩溃。而 FreeRTOS 提供了完善的系统监控与故障处理工具，能实时检测异常、定位问题。这一篇我们将从 “稳定运行的核心痛点” 讲起，详解任务状态监控、栈溢出检测、钩子函数等工具，通过 “全系统状态监控” 实操，让你掌握保障设备长期稳定运行的关键技术。

一、长期运行的核心痛点：为什么需要监控与故障处理？

嵌入式设备（如户外传感器、工业控制器）往往需要 7×24 小时运行，以下隐藏问题会随时间累积，最终导致系统异常：

痛点类型	典型场景	后果
任务栈溢出	任务中定义大数组、递归调用过深，栈空间不足，覆盖其他任务的栈数据	任务状态错乱、数据校验失败，甚至触发硬件 Fault 中断
内存泄漏	动态分配内存（如`pvPortMalloc`）后未释放，长期运行后堆内存耗尽	新任务 / 队列创建失败，依赖动态内存的功能（如日志存储）瘫痪
任务饥饿	低优先级任务被高优先级任务长期占用 CPU，始终无法进入运行态	周期性任务（如设备自检、数据备份）无法执行，系统功能逐步缺失
资源死锁	多个任务交叉等待互斥锁（如 A 等 B 的锁、B 等 A 的锁），所有任务永久阻塞	系统无响应，所有依赖锁的功能（如串口、Flash）无法使用

FreeRTOS 的监控工具就像 “设备的体检仪”，能实时检测这些异常；故障处理工具则像 “急救包”，在异常发生时触发保护机制（如复位、日志上报），避免系统彻底崩溃。

二、FreeRTOS 核心监控工具：实时掌握系统状态

FreeRTOS 提供了标准化 API 与配置选项，可从 “任务、内存、资源” 三个维度监控系统状态，核心工具如下：

1. 任务状态监控：掌握每个任务的运行情况

通过 API 可实时获取任务的状态、优先级、栈使用量等关键信息，常用 API 如下：

API 函数	功能描述	实用场景
`uxTaskGetSystemState`	获取所有任务的状态（运行 / 就绪 / 阻塞）、优先级、栈剩余空间，存储到数组	全系统任务状态快照，排查任务饥饿
`eTaskGetState`	获取单个任务的状态（返回`eRunning`/`eReady`/`eBlocked`等枚举值）	定位特定任务的异常状态
`uxTaskGetStackHighWaterMark`	计算任务栈的 “高水位线”（栈使用的最大值，剩余空间 = 栈大小 – 高水位线）	检测栈溢出风险（剩余空间过小时预警）
`vTaskList`	将所有任务的状态、优先级、栈使用量格式化为字符串，输出到串口 / 终端	调试阶段实时查看任务状态

关键概念：栈高水位线uxTaskGetStackHighWaterMark返回的 “高水位线” 是任务运行以来的最大栈使用量。例如：任务栈大小为 512 字节，高水位线为 300 字节，说明栈剩余 212 字节 —— 剩余空间越小，栈溢出风险越高（通常建议剩余空间≥100 字节）。

2. 内存监控：防止堆内存泄漏

FreeRTOS 的动态内存管理（堆）提供了 API，可统计内存分配与释放情况，常用 API：

API 函数	功能描述	实用场景
`xPortGetFreeHeapSize`	获取当前堆内存的剩余大小（字节）	定期监控内存变化，检测泄漏
`xPortGetMinimumEverFreeHeapSize`	获取堆内存的 “最小剩余量”（运行以来的最低值）	评估内存峰值，判断堆大小是否足够

内存泄漏判断方法：定期调用xPortGetFreeHeapSize，若剩余内存持续减少（无明显波动），且xPortGetMinimumEverFreeHeapSize不断降低，说明存在内存泄漏（需排查未释放的pvPortMalloc调用）。

3. 资源监控：排查死锁与资源争抢

通过同步组件的 API，可监控互斥锁、信号量的使用状态，常用 API：

API 函数	功能描述	实用场景
`uxSemaphoreGetCount`	获取信号量的当前计数（互斥锁计数为 1 表示空闲，0 表示被占用）	排查互斥锁是否被永久占用（死锁）
`xQueueGetQueueNumber`	获取队列的当前数据个数、最大长度，判断队列是否溢出	检测数据是否因处理不及时丢失

三、FreeRTOS 故障处理工具：异常发生时的 “急救措施”

当监控到异常（如栈溢出、内存耗尽）时，需通过 “钩子函数（Hook）” 触发保护机制，避免系统崩溃。FreeRTOS 的钩子函数是 “用户可自定义的回调函数”，在特定异常场景下自动调用。

1. 栈溢出钩子函数（vApplicationStackOverflowHook）

触发场景：FreeRTOS 检测到任务栈溢出（如栈指针超出分配的栈空间）时调用。核心作用：记录溢出的任务名称、状态，执行紧急操作（如复位系统、上报故障日志）。配置方式：在FreeRTOSConfig.h中开启宏定义：


#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 2  // 2=检测栈溢出并调用钩子函数（1=轻量级检测，不推荐）

2. 内存分配失败钩子函数（vApplicationMallocFailedHook）

触发场景：调用pvPortMalloc分配内存时，堆内存不足导致分配失败时调用。核心作用：释放临时资源（如关闭非关键任务），或触发系统软复位，恢复内存可用状态。配置方式：在FreeRTOSConfig.h中开启宏定义：


#define configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK 1  // 启用内存分配失败钩子函数

3. 空闲任务钩子函数（vApplicationIdleHook）

触发场景：系统无就绪任务时，空闲任务（最低优先级）运行，钩子函数被周期性调用。核心作用：执行低优先级的后台操作（如内存碎片整理、设备低功耗休眠），不影响其他任务。配置方式：在FreeRTOSConfig.h中开启宏定义：


#define configUSE_IDLE_HOOK 1  // 启用空闲任务钩子函数

四、实操：全系统状态监控与故障处理

我们基于第 19 篇的 “电机控制系统”，新增 “系统监控任务”，实现三大功能：

每 2 秒采集一次所有任务的状态、栈高水位线、堆内存使用情况；当任务栈剩余空间 < 50 字节时，触发栈溢出预警（串口打印 + LED 闪烁）；当堆内存剩余量 < 2000 字节时，触发内存不足预警（串口打印 + 尝试释放临时资源）。

1. 配置步骤（STM32CubeIDE）

步骤 1：开启 FreeRTOS 监控与钩子函数宏

在工程的FreeRTOSConfig.h中添加 / 修改以下宏定义：



// 栈溢出检测与钩子函数
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 2
// 内存分配失败钩子函数
#define configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK 1
// 空闲任务钩子函数（可选）
#define configUSE_IDLE_HOOK 1
// 启用任务状态查询API
#define configUSE_TRACE_FACILITY 1
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1

步骤 2：创建系统监控任务

在 FreeRTOS 的 “Tasks and Queues” 中添加任务：

任务名称：Task_SysMonitor；优先级：1（低于紧急任务、电机任务，避免占用高优先级资源）；栈大小：1024（需存储任务状态数组，栈需更大）；入口函数：vTaskSysMonitor。

2. 编写监控与故障处理代码

（1）系统监控任务（vTaskSysMonitor）



/* USER CODE BEGIN PV */
// 任务状态存储数组（假设系统最多8个任务，数组大小=8）
TaskStatus_t xTaskStatusArray[8];
// 任务数量
UBaseType_t uxArraySize;
// 堆内存相关变量
size_t xFreeHeapSize;
size_t xMinFreeHeapSize;
/* USER CODE END PV */
 
void vTaskSysMonitor(void *argument)
{
  char buf[128];
  UBaseType_t uxHighWaterMark;
 
  for(;;)
  {
    // 1. 采集全系统任务状态
    uxArraySize = uxTaskGetNumberOfTasks(); // 获取当前任务总数
    uxTaskGetSystemState(xTaskStatusArray, uxArraySize, NULL); // 获取任务状态
 
    // 2. 打印每个任务的状态、优先级、栈高水位线
    sprintf(buf, "===== 系统状态快照（共%d个任务）=====
", uxArraySize);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);
 
    for (UBaseType_t i = 0; i < uxArraySize; i++)
    {
      // 计算栈剩余空间（栈大小 - 高水位线）
      uxHighWaterMark = uxTaskGetStackHighWaterMark(xTaskStatusArray[i].xHandle);
      // 任务状态转换为字符串（eRunning→"Running"，eBlocked→"Blocked"）
      const char *pcTaskState;
      switch(xTaskStatusArray[i].eCurrentState)
      {
        case eRunning: pcTaskState = "Running"; break;
        case eReady: pcTaskState = "Ready"; break;
        case eBlocked: pcTaskState = "Blocked"; break;
        case eSuspended: pcTaskState = "Suspended"; break;
        default: pcTaskState = "Unknown"; break;
      }
 
      // 打印任务信息
      sprintf(buf, "任务：%s | 状态：%s | 优先级：%d | 栈剩余：%d字节
",
              xTaskStatusArray[i].pcTaskName, pcTaskState,
              xTaskStatusArray[i].uxCurrentPriority, uxHighWaterMark);
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);
 
      // 3. 栈溢出预警（剩余空间<50字节）
      if (uxHighWaterMark < 50)
      {
        sprintf(buf, "【预警】任务%s栈剩余不足50字节，存在溢出风险！
",
                xTaskStatusArray[i].pcTaskName);
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);
        // LED闪烁预警（快速翻转3次）
        for (uint8_t j=0; j<3; j++)
        {
          HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
          vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
        }
      }
    }
 
    // 4. 堆内存监控
    xFreeHeapSize = xPortGetFreeHeapSize();
    xMinFreeHeapSize = xPortGetMinimumEverFreeHeapSize();
    sprintf(buf, "堆内存剩余：%d字节 | 堆内存最小剩余：%d字节
",
            xFreeHeapSize, xMinFreeHeapSize);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);
 
    // 5. 内存不足预警（剩余<2000字节）
    if (xFreeHeapSize < 2000)
    {
      sprintf(buf, "【预警】堆内存不足2000字节，可能存在内存泄漏！
");
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);
      // 尝试释放临时资源（示例：若存在动态分配的缓存，此处释放）
      // if (pTempBuf != NULL) { vPortFree(pTempBuf); pTempBuf = NULL; }
    }
 
    sprintf(buf, "====================================

");
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);
 
    // 每2秒监控一次
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));
  }
}

（2）栈溢出钩子函数（FreeRTOSConfig.h 同级的.c 文件）



#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"
 
// 栈溢出钩子函数
void vApplicationStackOverflowHook(TaskHandle_t xTask, char *pcTaskName)
{
  // 1. 串口打印溢出任务信息
  char buf[64];
  sprintf(buf, "【故障】任务%s发生栈溢出！
", pcTaskName);
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);
 
  // 2. 紧急处理：翻转LED报警（常亮+闪烁）
  while(1)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    HAL_Delay(500); // 此处用HAL_Delay，因任务已溢出，无需考虑RTOS调度
  }
}

（3）内存分配失败钩子函数



// 内存分配失败钩子函数
void vApplicationMallocFailedHook(void)
{
  char buf[64];
  sprintf(buf, "【故障】内存分配失败，堆内存耗尽！
");
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);
 
  // 紧急处理：关闭非关键任务（如监控任务），释放内存
  vTaskSuspend(xTaskSysMonitorHandle); // 暂停监控任务
  // 若仍无法恢复，可触发系统软复位
  // NVIC_SystemReset();
}

3. 烧录验证与现象

上电后，串口每 2 秒输出一次 “系统状态快照”，包含：
所有任务（紧急停止、电机运行、系统监控）的状态（如 “Blocked”“Running”）、优先级、栈剩余空间；堆内存剩余量、最小剩余量；
若某任务栈剩余空间 <50 字节（可故意缩小栈大小模拟），串口输出 “栈溢出预警”，LED 快速闪烁 3 次；若堆内存 <2000 字节（可多次动态分配内存模拟泄漏），串口输出 “内存不足预警”，尝试释放临时资源；若故意触发栈溢出（如任务中定义超大数组），钩子函数被调用，串口输出 “栈溢出故障”，LED 进入报警闪烁模式。

五、第 20 篇总结与系列阶段性回顾

总结

这一篇我们掌握了 FreeRTOS 系统监控与故障处理的核心：

任务状态监控通过uxTaskGetSystemState/uxTaskGetStackHighWaterMark实现，可排查栈溢出、任务饥饿；内存监控通过xPortGetFreeHeapSize/xPortGetMinimumEverFreeHeapSize实现，可检测内存泄漏；故障处理依赖钩子函数，栈溢出、内存分配失败时可触发预警或紧急保护，避免系统崩溃；实操中通过 “系统监控任务” 实现全维度状态采集，结合钩子函数形成 “监控 – 预警 – 保护” 的完整闭环。

系列阶段性回顾（第 1-20 篇）

从 GPIO 控制到 FreeRTOS 系统监控，我们已覆盖 STM32F103 的核心技术栈，可支撑中小型嵌入式项目开发：

基础外设：GPIO、定时器（定时 / 中断 / PWM）、ADC（模拟采样）、DMA（高速数据传输）；通信协议：UART（串口）、I2C（OLED）、SPI（SPI Flash）、FatFS（文件系统）；实时系统：FreeRTOS 任务调度、同步机制（信号量 / 互斥锁 / 事件）、中断交互、系统监控；实战能力：从裸机编程到 RTOS 开发，从数据采集到长期稳定运行，形成完整技术闭环。

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THE END