这是我第一次使用FreeRTOS构建STM32的项目，踩了好些坑，又发现了我缺乏对于操作系统的内存及其空间的分配的知识，故写下文档记录学习成果。

文章最后要解决的问题是，如何恰当地分配FreeRTOS中的堆、任务栈的空间。但是在概念的理解上，也需要知道STM32内存的相关知识。所以首先大致介绍一下STM32的内存结构。

STM32内存结构

STM32的数据在物理上分别储存在RAM和Flash中。RAM可读可写，掉电清零。Flash可读不可写，但能掉电储存，并且一般空间比RAM大很多。

在关于如何使用RAM和Flash的问题上，STM32的内存又有了６个储存数据段和３种储存属性区的概念。

６个储存数据段

data

数据段，储存已初始化的，且初始化不为0的全局变量和静态变量。

bss

Block Started by Symbol。储存未初始化的，或初始化为0的全局变量和静态变量。

text

代码段，储存程序代码。

constdata

储存只读常量。

heap

堆，存放进程运行中被动态分配的内存段。其可用大小定义在启动文件startup_stm32fxx.s中，由程序员使用malloc()和free()函数进行分配和释放。

stack

栈，其大小定义在启动文件startup_stm32fxx.s中，由系统自动分配和释放。可存放局部变量、函数的参数和返回值，中断发生时能保存现场。但是static声明的局部静态变量不储存在栈中，而是放在data数据段。

3种储存属性区

RO(Read Only)

烧写到Flash中，可以长久保存。text代码段和constdata都属于RO。由于需要掉电储存，RO里也保存了一份data的数据。

RW(Read Write)

储存在RAM中。data属于此区。上电时单片机会将Flash中保存的data类型数据复制到RAM中，以供读写使用。

ZI(Zero Init)

零初始化区，同样储存在RAM里。系统上电时会把此区域的数据进行0初始化。bss，heap，stack均属于这个区域。

小结

STM32的RAM上有RW和ZI两个属性区，里边包含了data，bss，堆（heap），栈（stack）这几个数据段。这里是程序运行的所在。

Flash中有RO区，包含了text、constdata和data三个段，这里则是程序本体所在。

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内核主要使用的内存管理函数为：

void *pvPortMalloc( size_t xSize );	//申请内存

void vPortFree( void *pv );	        //释放内存

以上函数控制的是FreeRTOS堆；系统堆则应使用malloc()和free()来分配和释放。

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：

#define configTOTAL_HEAP_SIZE ((size_t)3072)

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：

FreeRTOS堆和任务空间分配技巧

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：

size_t xPortGetFreeHeapSize( void );	         //获取当前未分配的内存堆大小

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。

FreeRTOS中也有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。