第7章 内存管理 1.docx
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第7章内存管理1
内存管理
我们知道,在ANSIC中可以用malloc()和free()两个函数动态地分配内存和释放内存。
但是,在嵌入式实时操作系统中,多次这样做会把原来很大的一块连续内存区域,逐渐地分割成许多非常小而且彼此又不相邻的内存区域,也就是内存碎片。
由于这些碎片的大量存在,使得程序到后来连非常小的内存也分配不到。
在4.02节的任务堆栈中,我们讲到过用malloc()函数来分配堆栈时,曾经讨论过内存碎片的问题。
另外,由于内存管理算法的原因,malloc()和free()函数执行时间是不确定的。
在µC/OS-II中,操作系统把连续的大块内存按分区来管理。
每个分区中包含有整数个大小相同的内存块,如同图F7.1。
利用这种机制,µC/OS-II对malloc()和free()函数进行了改进,使得它们可以分配和释放固定大小的内存块。
这样一来,malloc()和free()函数的执行时间也是固定的了。
如图F7.2,在一个系统中可以有多个内存分区。
这样,用户的应用程序就可以从不同的内存分区中得到不同大小的内存块。
但是,特定的内存块在释放时必须重新放回它以前所属于的内存分区。
显然,采用这样的内存管理算法,上面的内存碎片问题就得到了解决。
图F7.1内存分区——Figure7.1
图F7.2多个内存分区——Figure7.2
内存控制块
为了便于内存的管理,在µC/OS-II中使用内存控制块(memorycontrolblocks)的数据结构来跟踪每一个内存分区,系统中的每个内存分区都有它自己的内存控制块。
程序清单L7.1是内存控制块的定义。
程序清单L7.1内存控制块的数据结构
typedefstruct{
void*OSMemAddr;
void*OSMemFreeList;
INT32UOSMemBlkSize;
INT32UOSMemNBlks;
INT32UOSMemNFree;
}OS_MEM;
.OSMemAddr是指向内存分区起始地址的指针。
它在建立内存分区[见7.1节,建立一个内存分区,OSMemCreate()]时被初始化,在此之后就不能更改了。
.OSMemFreeList是指向下一个空闲内存控制块或者下一个空闲的内存块的指针,具体含义要根据该内存分区是否已经建立来决定[见7.1节]。
.OSMemBlkSize是内存分区中内存块的大小,是用户建立该内存分区时指定的[见7.1节]。
.OSMemNBlks是内存分区中总的内存块数量,也是用户建立该内存分区时指定的[见7.1节]。
.OSMemNFree是内存分区中当前可以得空闲内存块数量。
如果要在µC/OS-II中使用内存管理,需要在OS_CFG.H文件中将开关量OS_MEM_EN设置为1。
这样µC/OS-II在启动时就会对内存管理器进行初始化[由OSInit()调用OSMemInit()实现]。
该初始化主要建立一个图F7.3所示的内存控制块链表,其中的常数OS_MAX_MEM_PART(见文件OS_CFG.H)定义了最大的内存分区数,该常数值至少应为2。
图F7.3空闲内存控制块链表——Figure7.3
建立一个内存分区,OSMemCreate()
在使用一个内存分区之前,必须先建立该内存分区。
这个操作可以通过调用OSMemCreate()函数来完成。
程序清单L7.2说明了如何建立一个含有100个内存块、每个内存块32字节的内存分区。
程序清单L7.2建立一个内存分区
OS_MEM*CommTxBuf;
INT8UCommTxPart[100][32];
voidmain(void)
{
INT8Uerr;
OSInit();
.
.
CommTxBuf=OSMemCreate(CommTxPart,100,32,&err);
.
.
OSStart();
}
程序清单L7.3是OSMemCreate()函数的源代码。
该函数共有4个参数:
内存分区的起始地址、分区内的内存块总块数、每个内存块的字节数和一个指向错误信息代码的指针。
如果OSMemCreate()操作失败,它将返回一个NULL指针。
否则,它将返回一个指向内存控制块的指针。
对内存管理的其它操作,象OSMemGet(),OSMemPut(),OSMemQuery()函数等,都要通过该指针进行。
每个内存分区必须含有至少两个内存块[L7.3
(1)],每个内存块至少为一个指针的大小,因为同一分区中的所有空闲内存块是由指针串联起来的[L7.3
(2)]。
接着,OSMemCreate()从系统中的空闲内存控制块中取得一个内存控制块[L7.3(3)],该内存控制块包含相应内存分区的运行信息。
OSMemCreate()必须在有空闲内存控制块可用的情况下才能建立一个内存分区[L7.3(4)]。
在上述条件均得到满足时,所要建立的内存分区内的所有内存块被链接成一个单向的链表[L7.3(5)]。
然后,在对应的内存控制块中填写相应的信息[L7.3(6)]。
完成上述各动作后,OSMemCreate()返回指向该内存块的指针。
该指针在以后对内存块的操作中使用[L7.3(6)]。
程序清单L7.3OSMemCreate()
OS_MEM*OSMemCreate(void*addr,INT32Unblks,INT32Ublksize,INT8U*err)
{
OS_MEM*pmem;
INT8U*pblk;
void**plink;
INT32Ui;
if(nblks<2){
(1)
*err=OS_MEM_INVALID_BLKS;
return((OS_MEM*)0);
}
if(blksize (2) *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){(4) *err=OS_MEM_INVALID_PART; return((OS_MEM*)0); } plink=(void**)addr;(5) pblk=(INT8U*)addr+blksize; for(i=0;i<(nblks-1);i++){ *plink=(void*)pblk; plink=(void**)pblk; pblk=pblk+blksize; } *plink=(void*)0; OS_ENTER_CRITICAL(); pmem->OSMemAddr=addr;(6) pmem->OSMemFreeList=addr; pmem->OSMemNFree=nblks; pmem->OSMemNBlks=nblks; pmem->OSMemBlkSize=blksize; OS_EXIT_CRITICAL(); *err=OS_NO_ERR; return(pmem);(7) } 图F7.4是OSMemCreate()函数完成后,内存控制块及对应的内存分区和分区内的内存块之间的关系。 在程序运行期间,经过多次的内存分配和释放后,同一分区内的各内存块之间的链接顺序会发生很大的变化。 分配一个内存块,OSMemGet() 应用程序可以调用OSMemGet()函数从已经建立的内存分区中申请一个内存块。 该函数的唯一参数是指向特定内存分区的指针,该指针在建立内存分区时,由OSMemCreate()函数返回。 显然,应用程序必须知道内存块的大小,并且在使用时不能超过该容量。 例如,如果一个内存分区内的内存块为32字节,那么,应用程序最多只能使用该内存块中的32字节。 当应用程序不再使用这个内存块后,必须及时把它释放,重新放入相应的内存分区中[见7.03节,释放一个内存块,OSMemPut()]。 图F7.4OSMemCreate()——Figure7.4 程序清单L7.4是OSMemGet()函数的源代码。 参数中的指针pmem指向用户希望从其中分配内存块的内存分区[L7.4 (1)]。 OSMemGet()首先检查内存分区中是否有空闲的内存块[L7.4 (2)]。 如果有,从空闲内存块链表中删除第一个内存块[L7.4(3)],并对空闲内存块链表作相应的修改[L7.4(4)]。 这包括将链表头指针后移一个元素和空闲内存块数减1[L7.4(5)]。 最后,返回指向被分配内存块的指针[L7.4(6)]。 程序清单L7.4OSMemGet() void*OSMemGet(OS_MEM*pmem,INT8U*err) (1) { void*pblk; OS_ENTER_CRITICAL(); if(pmem->OSMemNFree>0){ (2) pblk=pmem->OSMemFreeList;(3) pmem->OSMemFreeList=*(void**)pblk;(4) pmem->OSMemNFree--;(5) OS_EXIT_CRITICAL(); *err=OS_NO_ERR; return(pblk);(6) }else{ OS_EXIT_CRITICAL(); *err=OS_MEM_NO_FREE_BLKS; return((void*)0); } } 值得注意的是,用户可以在中断服务子程序中调用OSMemGet(),因为在暂时没有内存块可用的情况下,OSMemGet()不会等待,而是马上返回NULL指针。 释放一个内存块,OSMemPut() 当用户应用程序不再使用一个内存块时,必须及时地把它释放并放回到相应的内存分区中。 这个操作由OSMemPut()函数完成。 必须注意的是,OSMemPut()并不知道一个内存块是属于哪个内存分区的。 例如,用户任务从一个包含32字节内存块的分区中分配了一个内存块,用完后,把它返还给了一个包含120字节内存块的内存分区。 当用户应用程序下一次申请120字节分区中的一个内存块时,它会只得到32字节的可用空间,其它88字节属于其它的任务,这就有可能使系统崩溃。 程序清单L7.5是OSMemPut()函数的源代码。 它的第一个参数pmem是指向内存控制块的指针,也即内存块属于的内存分区[L7.5 (1)]。 OSMemPut()首先检查内存分区是否已满[L7.5 (2)]。 如果已满,说明系统在分配和释放内存时出现了错误。 如果未满,要释放的内存块被插入到该分区的空闲内存块链表中[L7.5(3)]。 最后,将分区中空闲内存块总数加1[L7.5(4)]。 程序清单L7.5OSMemPut() INT8UOSMemPut(OS_MEM*pmem,void*pblk) (1) { OS_ENTER_CRITICAL(); if(pmem->OSMemNFree>=pmem->OSMemNBlks){ (2) OS_EXIT_CRITICAL(); return(OS_MEM_FULL); } *(void**)pblk=pmem->OSMemFreeList;(3) pmem->OSMemFreeList=pblk; pmem->OSMemNFree++;(4) OS_EXIT_CRITICAL(); return(OS_NO_ERR); } 查询一个内存分区的状态,OSMemQuery() 在µC/OS-II中,可以使用OSMemQuery()函数来查询一个特定内存分区的有关消息。 通过该函数可以知道特定内存分区中内存块的大小、可用内存块数和正在使用的内存块数等信息。 所有这些信息都放在一个叫OS_MEM_DATA的数据结构中,如程序清单L7.6。 程序清单L7.6OS_MEM_DATA数据结构 typedefstruct{ void*OSAddr;/*指向内存分区首地址的指针*/ void*OSFreeList;/*指向空闲内存块链表首地址的指针*/ INT32UOSBlkSize;/*每个内存块所含的字节数*/ INT32UOSNBlks;/*内存分区总的内存块数*/ INT32UOSNFree;/*空闲内存块总数*/ INT32UOSNUsed;/*正在使用的内存块总数*/ }OS_MEM_DATA; 程序清单L7.7是OSMemQuery()函数的源代码,它将指定内存分区的信息复制到OS_MEM_DATA定义的变量的对应域中。 在此之前,代码首先禁止了外部中断,防止复制过程中某些变量值被修改[L7.7 (1)]。 由于正在使用的内存块数是由OS_MEM_DATA中的局部变量计算得到的,所以,可以放在(criticalsection中断屏蔽)的外面。 程序清单L7.7OSMemQuery() INT8UOSMemQuery(OS_MEM*pmem,OS_MEM_DATA*pdata) { OS_ENTER_CRITICAL(); pdata->OSAddr=pmem->OSMemAddr; (1) pdata->OSFreeList=pmem->OSMemFreeList; pdata->OSBlkSize=pmem->OSMemBlkSize; pdata->OSNBlks=pmem->OSMemNBlks; pdata->OSNFree=pmem->OSMemNFree; OS_EXIT_CRITICAL(); pdata->OSNUsed=pdata->OSNBlks-pdata->OSNFree; (2) return(OS_NO_ERR); } UsingMemoryPartitions 图F7.5是一个演示如何使用µC/OS-II中的动态分配内存功能,以及利用它进行消息传递[见第6章]的例子。 程序清单L7.8是这个例子中两个任务的示意代码,其中一些重要代码的标号和图F7.5中括号内用数字标识的动作是相对应的。 第一个任务读取并检查模拟输入量的值(如气压、温度、电压等),如果其超过了一定的阈值,就向第二个任务发送一个消息。 该消息中含有时间信息、出错的通道号和错误代码等可以想象的任何可能的信息。 错误处理程序是该例子的中心。 任何任务、中断服务子程序都可以向该任务发送出错消息。 错误处理程序则负责在显示设备上显示出错信息,在磁盘上登记出错记录,或者启动另一个任务对错误进行纠正等。 图F7.5使用动态内存分配——Figure7.5 程序清单L7.8内存分配的例子——扫描模拟量的输入和报告出错 AnalogInputTask() { for(;;){ for(所有的模拟量都有输入){ 读入模拟量输入值; (1) if(模拟量超过阈值){ 得到一个内存块; (2) 得到当前系统时间(以时钟节拍为单位);(3) 将下列各项存入内存块: (4) 系统时间(时间戳); 超过阈值的通道号; 错误代码; 错误等级; 等. 向错误队列发送错误消息;(5) (一个指向包含上述各项的内存块的指针) } } 延时任务,直到要再次对模拟量进行采样时为止; } } ErrorHandlerTask() { for(;;){ 等待错误队列的消息;(6) (得到指向包含有关错误数据的内存块的指针) 读入消息,并根据消息的内容执行相应的操作;(7) 将内存块放回到相应的内存分区中;(8) } } 等待一个内存块 有时候,在内存分区暂时没有可用的空闲内存块的情况下,让一个申请内存块的任务等待也是有用的。 但是,µC/OS-II本身在内存管理上并不支持这项功能。 如果确实需要,则可以通过为特定内存分区增加信号量的方法,实现这种功能(见6.05节,信号量)。 应用程序为了申请分配内存块,首先要得到一个相应的信号量,然后才能调用OSMemGet()函数。 整个过程见程序清单L7.9。 程序代码首先定义了程序中使用到的各个变量[L7.9 (1)]。 该例中,直接使用数字定义了各个变量的大小,实际应用中,建议将这些数字定义成常数。 在系统复位时,µC/OS-II调用OSInit()进行系统初始化[L7.9 (2)],然后用内存分区中总的内存块数来初始化一个信号量[L7.9(3)],紧接着建立内存分区[L7.9(4)]和相应的要访问该分区的任务[L7.9(5)]。 当然,到此为止,我们对如何增加其它的任务也已经很清楚了。 显然,如果系统中只有一个任务使用动态内存块,就没有必要使用信号量了。 这种情况不需要保证内存资源的互斥。 事实上,除非我们要实现多任务共享内存,否则连内存分区都不需要。 多任务执行从OSStart()开始[L7.9(6)]。 当一个任务运行时,只有在信号量有效时[L7.9(7)],才有可能得到内存块[L7.9(8)]。 一旦信号量有效了,就可以申请内存块并使用它,而没有必要对OSSemPend()返回的错误代码进行检查。 因为在这里,只有当一个内存块被其它任务释放并放回到内存分区后,µC/OS-II才会返回到该任务去执行。 同理,对OSMemGet()返回的错误代码也无需做进一步的检查(一个任务能得以继续执行,则内存分区中至少有一个内存块是可用的)。 当一个任务不再使用某内存块时,只需简单地将它释放并返还到内存分区[L7.9(9)],并发送该信号量[L7.9(10)]。 程序清单L7.9等待从一个内存分区中分配内存块 OS_EVENT*SemaphorePtr; (1) OS_MEM*PartitionPtr; INT8UPartition[100][32]; OS_STKTaskStk[1000]; voidmain(void) { INT8Uerr; OSInit(); (2) . . SemaphorePtr=OSSemCreate(100);(3) PartitionPtr=OSMemCreate(Partition,100,32,&err);(4) . OSTaskCreate(Task,(void*)0,&TaskStk[999],&err);(5) . OSStart();(6) } voidTask(void*pdata) { INT8Uerr; INT8U*pblock; for(;;){ OSSemPend(SemaphorePtr,0,&err);(7) pblock=OSMemGet(PartitionPtr,&err);(8) . ./*使用内存块*/ . OSMemPut(PartitionPtr,pblock);(9) OSSemPost(SemaphorePtr);(10) } }
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