嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOSII第7章 內(nèi)存管理

1、第7章7.6 內(nèi)存管理.1 內(nèi)存控制塊.2 建立一個(gè)內(nèi)存分區(qū)，OSMEMCREATE().3 分配一個(gè)內(nèi)存塊，OSMEMGET().5 釋放一個(gè)內(nèi)存塊，OSMEMPUT().6 查詢一個(gè)內(nèi)存分區(qū)的狀態(tài)，OSMEMQUERY().7 USING MEMORY PARTITIONS.8 等待一個(gè)內(nèi)存塊.10I內(nèi)存管理我們知道，在ANSI C中可以用malloc()和free()兩個(gè)函數(shù)動(dòng)態(tài)地分配內(nèi)存和釋放內(nèi)存。但是，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，多次這樣做會(huì)把原來很大的一塊連續(xù)內(nèi)存區(qū)域，逐漸地分割成許多非常小而且彼此又不相鄰的內(nèi)存區(qū)域，也就是內(nèi)存碎片。由于這些碎片的大量存在，使得程序到后來連非常小的內(nèi)存

2、也分配不到。在4.02節(jié)的任務(wù)堆棧中，我們講到過用malloc()函數(shù)來分配堆棧時(shí)，曾經(jīng)討論過內(nèi)存碎片的問題。另外，由于內(nèi)存管理算法的原因，malloc()和free()函數(shù)執(zhí)行時(shí)間是不確定的。在µC/OS-II中，操作系統(tǒng)把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理。每個(gè)分區(qū)中包含有整數(shù)個(gè)大小相同的內(nèi)存塊，如同圖F7.1。利用這種機(jī)制，µC/OS-II 對malloc()和free()函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，使得它們可以分配和釋放固定大小的內(nèi)存塊。這樣一來，malloc()和free()函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間也是固定的了。如圖 F7.2，在一個(gè)系統(tǒng)中可以有多個(gè)內(nèi)存分區(qū)。這樣，用戶的應(yīng)用程序就可以從不同的

3、內(nèi)存分區(qū)中得到不同大小的內(nèi)存塊。但是，特定的內(nèi)存塊在釋放時(shí)必須重新放回它以前所屬于的內(nèi)存分區(qū)。顯然，采用這樣的內(nèi)存管理算法，上面的內(nèi)存碎片問題就得到了解決。7-1內(nèi)存控制塊為了便于內(nèi)存的管理，在µC/OS-II中使用內(nèi)存控制塊（memory control blocks）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來跟蹤每一個(gè)內(nèi)存分區(qū)，系統(tǒng)中的每個(gè)內(nèi)存分區(qū)都有它自己的內(nèi)存控制塊。程序清單L7.1是內(nèi)存控制塊的定義。程序清單 L7.1 內(nèi)存控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)typedef struct void *OSMemAddr;void *OSMemFreeList;INT32U OSMemBlkSize;INT32U OSMem

4、NBlks;INT32U OSMemNFree; OS_MEM;.OSMemAddr是指向內(nèi)存分區(qū)起始地址的指針。它在建立內(nèi)存分區(qū)見7.1節(jié)，建立一個(gè)內(nèi)存分區(qū)，OSMemCreate()時(shí)被初始化，在此之后就不能更改了。.OSMemFreeList是指向下一個(gè)空閑內(nèi)存控制塊或者下一個(gè)空閑的內(nèi)存塊的指針，具體含義要根據(jù)該內(nèi)存分區(qū)是否已經(jīng)建立來決定見7.1節(jié)。.OSMemBlkSize是內(nèi)存分區(qū)中內(nèi)存塊的大小，是用戶建立該內(nèi)存分區(qū)時(shí)指定的見7.1節(jié)。 .OSMemNBlks是內(nèi)存分區(qū)中總的內(nèi)存塊數(shù)量，也是用戶建立該內(nèi)存分區(qū)時(shí)指定的見7.1節(jié)。 .OSMemNFree是內(nèi)存分區(qū)中當(dāng)前可以得空閑內(nèi)存塊

5、數(shù)量。如果要在µC/OS-II中使用內(nèi)存管理，需要在OS_CFG.H文件中將開關(guān)量OS_MEM_EN設(shè)置為1。這樣µC/OS-II 在啟動(dòng)時(shí)就會(huì)對內(nèi)存管理器進(jìn)行初始化由OSInit()調(diào)用OSMemInit()實(shí)現(xiàn)。該初始化主要建立一個(gè)圖 F7.3所示的內(nèi)存控制塊鏈表，其中的常數(shù)OS_MAX_MEM_PART（見文件OS_CFG.H）定義了最大的內(nèi)存分區(qū)數(shù)，該常數(shù)值至少應(yīng)為2。7-2建立一個(gè)內(nèi)存分區(qū)，OSMemCreate()在使用一個(gè)內(nèi)存分區(qū)之前，必須先建立該內(nèi)存分區(qū)。這個(gè)操作可以通過調(diào)用OSMemCreate()函數(shù)來完成。程序清單 L7.2說明了如何建立一個(gè)含有100

6、個(gè)內(nèi)存塊、每個(gè)內(nèi)存塊32字節(jié)的內(nèi)存分區(qū)。程序清單 L7.2 建立一個(gè)內(nèi)存分區(qū)OS_MEM *CommTxBuf;INT8U CommTxPart10032;void main (void)INT8U err;OSInit();.CommTxBuf = OSMemCreate(CommTxPart, 100, 32, &err);.OSStart();程序清單 L7.3是OSMemCreate()函數(shù)的源代碼。該函數(shù)共有4個(gè)參數(shù)：內(nèi)存分區(qū)的起始地址、分區(qū)內(nèi)的內(nèi)存塊總塊數(shù)、每個(gè)內(nèi)存塊的字節(jié)數(shù)和一個(gè)指向錯(cuò)誤信息代碼的指針。如果OSMemCreate()操作失敗，它將返回一個(gè)NULL指針。否則

7、，它將返回一個(gè)指向內(nèi)存控制塊的指針。對內(nèi)存管理的其它操作，象OSMemGet()，OSMemPut()，OSMemQuery()函數(shù)等，都要通過該指針進(jìn)行。7-3每個(gè)內(nèi)存分區(qū)必須含有至少兩個(gè)內(nèi)存塊L7.3(1)，每個(gè)內(nèi)存塊至少為一個(gè)指針的大小，因?yàn)橥环謪^(qū)中的所有空閑內(nèi)存塊是由指針串聯(lián)起來的L7.3(2)。接著，OSMemCreate()從系統(tǒng)中的空閑內(nèi)存控制塊中取得一個(gè)內(nèi)存控制塊L7.3(3)，該內(nèi)存控制塊包含相應(yīng)內(nèi)存分區(qū)的運(yùn)行信息。OSMemCreate()必須在有空閑內(nèi)存控制塊可用的情況下才能建立一個(gè)內(nèi)存分區(qū)L7.3(4)。在上述條件均得到滿足時(shí)，所要建立的內(nèi)存分區(qū)內(nèi)的所有內(nèi)存塊被鏈接成

8、一個(gè)單向的鏈表L7.3(5)。然后，在對應(yīng)的內(nèi)存控制塊中填寫相應(yīng)的信息L7.3(6)。完成上述各動(dòng)作后，OSMemCreate()返回指向該內(nèi)存塊的指針。該指針在以后對內(nèi)存塊的操作中使用L7.3(6)。程序清單 L7.3 OSMemCreate()OS_MEM *OSMemCreate (void *addr, INT32U nblks, INT32U blksize, INT8U *err) OS_MEM *pmem;INT8U *pblk;void *plink;INT32U i;if (nblks < 2) (1) *err = OS_MEM_INVALID_BLKS;return

9、 (OS_MEM *)0);if (blksize < sizeof(void *) *err = OS_MEM_INVALID_SIZE;return (OS_MEM *)0);OS_ENTER_CRITICAL();pmem = OSMemFreeList; (3) if (OSMemFreeList != (OS_MEM *)0) OSMemFreeList = (OS_MEM *)OSMemFreeList->OSMemFreeList;OS_EXIT_CRITICAL();if (pmem = (OS_MEM *)0) return (OS_MEM *)0);plink

10、= (void *)addr; (5) pblk = (INT8U *)addr + blksize;for (i = 0; i < (nblks - 1); i+) *plink = (void *)pblk;plink = (void *)pblk; (4) *err = OS_MEM_INVALID_PART; (2)7-4pblk = pblk + blksize;*plink = (void *)0;OS_ENTER_CRITICAL();pmem->OSMemAddr = addr;pmem->OSMemFreeList = addr;pmem->OSMem

11、NFree = nblks;pmem->OSMemNBlks = nblks;pmem->OSMemBlkSize = blksize;OS_EXIT_CRITICAL();*err = OS_NO_ERR;return (pmem);圖 F7.4是OSMemCreate()函數(shù)完成后，內(nèi)存控制塊及對應(yīng)的內(nèi)存分區(qū)和分區(qū)內(nèi)的內(nèi)存塊之間的關(guān)系。在程序運(yùn)行期間，經(jīng)過多次的內(nèi)存分配和釋放后，同一分區(qū)內(nèi)的各內(nèi)存塊之間的鏈接順序會(huì)發(fā)生很大的變化。 (7) (6)分配一個(gè)內(nèi)存塊，OSMemGet()應(yīng)用程序可以調(diào)用OSMemGet()函數(shù)從已經(jīng)建立的內(nèi)存分區(qū)中申請一個(gè)內(nèi)存塊。該函數(shù)的唯一參數(shù)是指

12、向特定內(nèi)存分區(qū)的指針，該指針在建立內(nèi)存分區(qū)時(shí)，由OSMemCreate()函數(shù)返回。顯然，應(yīng)用程序必須知道內(nèi)存塊的大小，并且在使用時(shí)不能超過該容量。例如，如果一個(gè)內(nèi)存分區(qū)內(nèi)的內(nèi)存塊為32字節(jié)，那么，應(yīng)用程序最多只能使用該內(nèi)存塊中的32字節(jié)。當(dāng)應(yīng)用程序不再使用這個(gè)內(nèi)存塊后，必須及時(shí)把它釋放，重新放入相應(yīng)的內(nèi)存分區(qū)中見7.03節(jié)，釋放一個(gè)內(nèi)存塊，OSMemPut()。7-5程序清單 L7.4是OSMemGet()函數(shù)的源代碼。參數(shù)中的指針pmem指向用戶希望從其中分配內(nèi)存塊的內(nèi)存分區(qū)L7.4(1)。OSMemGet()首先檢查內(nèi)存分區(qū)中是否有空閑的內(nèi)存塊L7.4(2)。如果有，從空閑內(nèi)存塊鏈表中刪

13、除第一個(gè)內(nèi)存塊L7.4(3)，并對空閑內(nèi)存塊鏈表作相應(yīng)的修改 L7.4(4)。這包括將鏈表頭指針后移一個(gè)元素和空閑內(nèi)存塊數(shù)減1L7.4(5)。最后，返回指向被分配內(nèi)存塊的指針L7.4(6)。程序清單 L7.4 OSMemGet()void *OSMemGet (OS_MEM *pmem, INT8U *err)void *pblk;OS_ENTER_CRITICAL();if (pmem->OSMemNFree > 0) (2)(3)(4) pblk = pmem->OSMemFreeList; pmem->OSMemFreeList = *(void *)pblk;p

14、mem->OSMemNFree-;OS_EXIT_CRITICAL();*err = OS_NO_ERR;return (pblk); else OS_EXIT_CRITICAL();*err = OS_MEM_NO_FREE_BLKS;return (void *)0);值得注意的是，用戶可以在中斷服務(wù)子程序中調(diào)用OSMemGet()，因?yàn)樵跁簳r(shí)沒有內(nèi)存塊可用的情況下，OSMemGet()不會(huì)等待，而是馬上返回NULL指針。(6) (1) (5)釋放一個(gè)內(nèi)存塊，OSMemPut()當(dāng)用戶應(yīng)用程序不再使用一個(gè)內(nèi)存塊時(shí)，必須及時(shí)地把它釋放并放回到相應(yīng)的內(nèi)存分區(qū)中。這個(gè)操作由OSMemPut

15、()函數(shù)完成。必須注意的是，OSMemPut()并不知道一個(gè)內(nèi)存塊是屬于哪個(gè)內(nèi)存分區(qū)的。例如，用戶任務(wù)從一個(gè)包含32字節(jié)內(nèi)存塊的分區(qū)中分配了一個(gè)內(nèi)存塊，用完后，把它返還給了一個(gè)包含120字節(jié)內(nèi)存塊的內(nèi)存分區(qū)。當(dāng)用戶應(yīng)用程序下一次申請120字節(jié)分區(qū)中的一個(gè)內(nèi)存塊時(shí)，它會(huì)只得到32字節(jié)的可用空間，其它88字節(jié)屬于其它的任務(wù)，這就有可能使系統(tǒng)崩潰。程序清單 L7.5是OSMemPut()函數(shù)的源代碼。它的第一個(gè)參數(shù)pmem是指向內(nèi)存控制塊的指針，也即內(nèi)存塊屬于的內(nèi)存分區(qū)L7.5(1)。OSMemPut()首先檢查內(nèi)存分區(qū)是否已滿L7.5(2)。如果已滿，說明系統(tǒng)在分配和釋放內(nèi)存時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。如果未滿

16、，要釋放的內(nèi)存7-6塊被插入到該分區(qū)的空閑內(nèi)存塊鏈表中L7.5(3)。最后，將分區(qū)中空閑內(nèi)存塊總數(shù)加1L7.5(4)。程序清單 L7.5 OSMemPut()INT8U OSMemPut (OS_MEM *pmem, void *pblk)OS_ENTER_CRITICAL();if (pmem->OSMemNFree >= pmem->OSMemNBlks) OS_EXIT_CRITICAL();return (OS_MEM_FULL);*(void *)pblk = pmem->OSMemFreeList;pmem->OSMemFreeList = pblk;

17、pmem->OSMemNFree+;OS_EXIT_CRITICAL();return (OS_NO_ERR);查詢一個(gè)內(nèi)存分區(qū)的狀態(tài)，OSMemQuery() (4) (3) (2) (1)在µC/OS-II 中，可以使用OSMemQuery()函數(shù)來查詢一個(gè)特定內(nèi)存分區(qū)的有關(guān)消息。通過該函數(shù)可以知道特定內(nèi)存分區(qū)中內(nèi)存塊的大小、可用內(nèi)存塊數(shù)和正在使用的內(nèi)存塊數(shù)等信息。所有這些信息都放在一個(gè)叫OS_MEM_DATA的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，如程序清單 L7.6。程序清單 L7.6 OS_MEM_DATA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)typedef struct void *OSAddr; /* 指向內(nèi)存分區(qū)首地

18、址的指針 */void *OSFreeList; /* 指向空閑內(nèi)存塊鏈表首地址的指針 */INT32U OSBlkSize; /* 每個(gè)內(nèi)存塊所含的字節(jié)數(shù) */INT32U OSNBlks; /* 內(nèi)存分區(qū)總的內(nèi)存塊數(shù) */INT32U OSNFree; /* 空閑內(nèi)存塊總數(shù) */INT32U OSNUsed; /* 正在使用的內(nèi)存塊總數(shù) */ OS_MEM_DATA;程序清單 L7.7是OSMemQuery()函數(shù)的源代碼，它將指定內(nèi)存分區(qū)的信息復(fù)制到OS_MEM_DATA定義的變量的對應(yīng)域中。在此之前，代碼首先禁止了外部中斷，防止復(fù)制過程中某些變量值被修改L7.7(1)。由于正在使用的內(nèi)

19、存塊數(shù)是由OS_MEM_DATA中的局部變量計(jì)算得到的，所以，可以放在（critical section中斷屏蔽）的外面。程序清單 L7.7 OSMemQuery()INT8U OSMemQuery (OS_MEM *pmem, OS_MEM_DATA *pdata)7-7OS_ENTER_CRITICAL();pdata->OSAddr = pmem->OSMemAddr;pdata->OSFreeList = pmem->OSMemFreeList;pdata->OSBlkSize = pmem->OSMemBlkSize;pdata->OSNBl

20、ks = pmem->OSMemNBlks;pdata->OSNFree = pmem->OSMemNFree;OS_EXIT_CRITICAL();pdata->OSNUsed = pdata->OSNBlks - pdata->OSNFree;return (OS_NO_ERR);(2) (1)Using Memory Partitions圖 F7.5是一個(gè)演示如何使用µC/OS-II中的動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存功能，以及利用它進(jìn)行消息傳遞見第6章的例子。程序清單 L7.8是這個(gè)例子中兩個(gè)任務(wù)的示意代碼，其中一些重要代碼的標(biāo)號(hào)和圖 F7.5中括號(hào)內(nèi)用數(shù)字標(biāo)

21、識(shí)的動(dòng)作是相對應(yīng)的。第一個(gè)任務(wù)讀取并檢查模擬輸入量的值（如氣壓、溫度、電壓等），如果其超過了一定的閾值，就向第二個(gè)任務(wù)發(fā)送一個(gè)消息。該消息中含有時(shí)間信息、出錯(cuò)的通道號(hào)和錯(cuò)誤代碼等可以想象的任何可能的信息。錯(cuò)誤處理程序是該例子的中心。任何任務(wù)、中斷服務(wù)子程序都可以向該任務(wù)發(fā)送出錯(cuò)消息。錯(cuò)誤處理程序則負(fù)責(zé)在顯示設(shè)備上顯示出錯(cuò)信息，在磁盤上登記出錯(cuò)記錄，或者啟動(dòng)另一個(gè)任務(wù)對錯(cuò)誤進(jìn)行糾正等。7-8程序清單 L7.8 內(nèi)存分配的例子掃描模擬量的輸入和報(bào)告出錯(cuò)AnalogInputTask()for (;) for (所有的模擬量都有輸入) 讀入模擬量輸入值; (1) if (模擬量超過閾值) 得到一個(gè)內(nèi)

22、存塊; (2) 得到當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間 (以時(shí)鐘節(jié)拍為單位);將下列各項(xiàng)存入內(nèi)存塊:系統(tǒng)時(shí)間 (時(shí)間戳);超過閾值的通道號(hào);錯(cuò)誤代碼;錯(cuò)誤等級(jí);等.向錯(cuò)誤隊(duì)列發(fā)送錯(cuò)誤消息; (5) (3) (4)7-9(一個(gè)指向包含上述各項(xiàng)的內(nèi)存塊的指針)延時(shí)任務(wù),直到要再次對模擬量進(jìn)行采樣時(shí)為止;ErrorHandlerTask()for (;) 等待錯(cuò)誤隊(duì)列的消息; (6)(7)(8) (得到指向包含有關(guān)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊的指針) 讀入消息,并根據(jù)消息的內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作; 將內(nèi)存塊放回到相應(yīng)的內(nèi)存分區(qū)中;等待一個(gè)內(nèi)存塊有時(shí)候，在內(nèi)存分區(qū)暫時(shí)沒有可用的空閑內(nèi)存塊的情況下，讓一個(gè)申請內(nèi)存塊的任務(wù)等待也是有用的。但是

23、，µC/OS-II本身在內(nèi)存管理上并不支持這項(xiàng)功能。如果確實(shí)需要，則可以通過為特定內(nèi)存分區(qū)增加信號(hào)量的方法，實(shí)現(xiàn)這種功能（見6.05節(jié)，信號(hào)量）。應(yīng)用程序?yàn)榱松暾埛峙鋬?nèi)存塊，首先要得到一個(gè)相應(yīng)的信號(hào)量，然后才能調(diào)用OSMemGet()函數(shù)。整個(gè)過程見程序清單 L7.9。程序代碼首先定義了程序中使用到的各個(gè)變量L7.9(1)。該例中，直接使用數(shù)字定義了各個(gè)變量的大小，實(shí)際應(yīng)用中，建議將這些數(shù)字定義成常數(shù)。在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，µC/OS-II調(diào)用OSInit()進(jìn)行系統(tǒng)初始化L7.9(2)，然后用內(nèi)存分區(qū)中總的內(nèi)存塊數(shù)來初始化一個(gè)信號(hào)量L7.9(3)，緊接著建立內(nèi)存分區(qū)L7.9(4)和相應(yīng)的要訪問該分區(qū)的任務(wù)L7.9(5)。當(dāng)然，到此為止，我們對如何增加其它的任務(wù)也已經(jīng)很清楚了。顯然，如果系統(tǒng)中只有一個(gè)任務(wù)使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存塊，就沒有必要使用信號(hào)量了。這種情況不需要保證內(nèi)存資源的互斥。事實(shí)上，除非我們要實(shí)現(xiàn)多任務(wù)共享內(nèi)存，否則連內(nèi)存分區(qū)都不需要。多任務(wù)執(zhí)行從OSStart()開始L7.9(6)。當(dāng)一個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，只有在信號(hào)量有效時(shí)L7.9(7)，才有可能得到內(nèi)存塊L7.9