摘要:探討嵌入式開發(fā)對(duì)內(nèi)存管理的基本要求、嵌入式開發(fā)內(nèi)存管理的關(guān)鍵問題以及給出一種VxWorks內(nèi)存管理方案，即把除VxWorks系統(tǒng)保留內(nèi)存以外的內(nèi)存分為三種類型進(jìn)行管理：固定大小的緩沖池、動(dòng)態(tài)可變的堆以及由各種固定大小的緩沖區(qū)組成的隊(duì)列。

   目前，針對(duì)有內(nèi)存管理單元MMU(Memory Management Unit)的處理器設(shè)計(jì)的一些桌面操作系統(tǒng)，如Windows、Linux，使用了虛擬存儲(chǔ)器的概念。虛擬內(nèi)存地址被送到MMU映射為物理地址，實(shí)際存儲(chǔ)器被分割為相同大小的頁面，采用分頁的方式載人進(jìn)程。
   大多數(shù)嵌人式系統(tǒng)針對(duì)沒有MMU的處理器設(shè)計(jì)，不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，而采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。因而對(duì)于內(nèi)存的訪問是直接的，它對(duì)地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問的地址都是實(shí)際物理地址；而且，大多數(shù)嵌人式操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒有保護(hù)，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間。一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為它分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載人主存儲(chǔ)器的連續(xù)空間。
    由此可見，嵌人式系統(tǒng)的開發(fā)人員不得不參與系統(tǒng)的內(nèi)存管理。從編譯內(nèi)核開始，開發(fā)人員必須告訴系統(tǒng)這塊開發(fā)板到底擁有多少內(nèi)存；在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，必須考慮內(nèi)存的分配情況并關(guān)注應(yīng)用程序需要運(yùn)行空間的大小。另外， 由于采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略，用戶程序同內(nèi)核以及其他用戶程序在一個(gè)地址空間，程序開發(fā)時(shí)要保證不侵犯其它程序的地址空間，以使得程序不至于破壞系統(tǒng)的正常工作，或?qū)е缕渌�程序的運(yùn)行異常；因而，嵌人式系統(tǒng)的開發(fā)人員對(duì)軟件中的一些內(nèi)存操作要格外小心。

1 嵌入式系統(tǒng)中對(duì)內(nèi)存分配的要求
    嵌人式系統(tǒng)開發(fā)對(duì)內(nèi)存分配有很高的要求：
① 內(nèi)存能快速申請(qǐng)和釋放，即快速性。嵌人式系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)性的保證，要求內(nèi)存分配過程要盡可能地快；
② 內(nèi)存分配保持原子性，即可靠性。也就是內(nèi)存分配的請(qǐng)求必須得到滿足，如果分配失敗可能會(huì)帶來災(zāi)難性的后果；
③ 內(nèi)存應(yīng)該各盡其用，即高效性。內(nèi)存分配要盡可能地少浪費(fèi)。不可能為了保證滿足所有的內(nèi)存分配請(qǐng)求而將內(nèi)存配置得無限大。

2 VxWorks內(nèi)存管理機(jī)制
    VxWorks采用用戶程序、內(nèi)核處于同一個(gè)地址空間的內(nèi)存管理策略，軟件開發(fā)人員在開發(fā)程序時(shí)必須保證不侵犯其他程序和內(nèi)核的地址空間，以免破壞系統(tǒng)的正常工作或?qū)е缕渌�程序異常運(yùn)行。內(nèi)核負(fù)責(zé)為程序分配內(nèi)存、動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存和回收內(nèi)存。VxWorks為用戶提供兩種內(nèi)存區(qū)域：內(nèi)存域region和內(nèi)存分區(qū)partitionregion是可變長的內(nèi)存區(qū)，可以從創(chuàng)建的region中在分配段segment，region的特點(diǎn)是容易產(chǎn)生碎片，但靈活、不浪費(fèi)；partition是定長的內(nèi)存區(qū)，用戶可以從創(chuàng)建的partition中分配內(nèi)存塊或在某個(gè)內(nèi)存分區(qū)中再創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存分區(qū)，partition的特點(diǎn)是無碎片、效率高，但浪費(fèi)。通常，VxWorks內(nèi)核和應(yīng)用程序?qū)��?nèi)存的操作是基于內(nèi)存分區(qū)進(jìn)行的。內(nèi)存池是一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域，包含一個(gè)或多個(gè)內(nèi)存塊。內(nèi)存分區(qū)包含分區(qū)自身的描述信息(一個(gè)結(jié)構(gòu)體)和一個(gè)或多個(gè)內(nèi)存池，描述信息保存在系統(tǒng)內(nèi)存分區(qū)中，內(nèi)存池是該分區(qū)實(shí)際擁有的內(nèi)存空間。內(nèi)存分區(qū)剛創(chuàng)建完畢時(shí)，只有一個(gè)內(nèi)存池，以后用戶程序可往該分區(qū)中添加內(nèi)存池。內(nèi)存池之間的地址不一
定連續(xù)，VxWorks在啟動(dòng)過程中會(huì)創(chuàng)建一個(gè)包含系統(tǒng)內(nèi)存池的系統(tǒng)內(nèi)存分區(qū)，如圖1所示。VxWorks的內(nèi)存管理采用自由鏈管理內(nèi)存空閑塊。用首先適配算法動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，內(nèi)存釋放時(shí)，采用上下空閑區(qū)融合的方法，即把相鄰的空閑內(nèi)存塊合并，沒有清理碎片的功能。

3 對(duì)VxWorks內(nèi)存管理的改進(jìn)
    改進(jìn)的緩沖區(qū)管理模塊的作用在于加強(qiáng)VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的管理，并為上層應(yīng)用程序提供所需內(nèi)存申請(qǐng)和釋放工作。因此本改進(jìn)模塊位于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)模塊和應(yīng)用程序模塊之間。
    CPU實(shí)際物理內(nèi)存在bootRoom啟動(dòng)時(shí)劃分為兩部分：VxWorks內(nèi)核操作系統(tǒng)內(nèi)存和保留給用戶管理的內(nèi)存。為了便于管理，對(duì)為用戶保留內(nèi)存作進(jìn)一步劃分，使用memPartCreate函數(shù)創(chuàng)建兩個(gè)內(nèi)存分區(qū)：一個(gè)分區(qū)用來生成預(yù)先申請(qǐng)好固定大小緩沖池；另一分區(qū)以堆方式向上層提供的緩沖池。這樣就把物理內(nèi)存劃分成3個(gè)部分：
(1)Paal：VxWorks系統(tǒng)內(nèi)存，在物理低端；
(2)Part2：預(yù)先申請(qǐng)好的固定大小的緩沖池，每種固定長度的內(nèi)存緩沖區(qū)形成一個(gè)隊(duì)列；
(3)Pan3：以堆方式提供給上層應(yīng)用程序的緩沖池；
內(nèi)存劃分如圖2所示。

3.1 不同大小固定長度緩沖區(qū)管理
    為了避免內(nèi)存碎片，我們采用預(yù)先分配內(nèi)存塊的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)堆內(nèi)存分區(qū)進(jìn)行管理：分區(qū)內(nèi)的所有內(nèi)存隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列管理一定數(shù)量大小相同且已經(jīng)申請(qǐng)好的內(nèi)存塊，這些內(nèi)存塊永久占用。然后對(duì)每個(gè)內(nèi)存隊(duì)列管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)。上層應(yīng)用程序調(diào)用模塊接口函數(shù)從緩沖池中
申請(qǐng)和釋放。每塊緩沖區(qū)的用戶區(qū)填充默認(rèn)內(nèi)容。

3.2 堆方式內(nèi)存的管理
    對(duì)于堆內(nèi)存的使用，我們對(duì)VxWorks的兩個(gè)內(nèi)核函數(shù)memPartAlloc()和memPartFree()進(jìn)行了封裝，并在調(diào)試版本中加入信息，如圖3所示。
圖中：BLOCK- HDR表示內(nèi)存塊頭，OAHEAD表示塊附加信息頭，pbuf指向?qū)嶋H的堆空間，size為堆的大小。

3.3 快速內(nèi)存分配管理
    對(duì)于協(xié)議等存在大量、快速地申請(qǐng)/釋放內(nèi)存的操作而言，在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后內(nèi)存都變成了碎片，再申請(qǐng)大塊內(nèi)存時(shí)容易失敗。提供一種快速的內(nèi)存申請(qǐng)/釋放的方式，并且最大程度地減少系統(tǒng)的內(nèi)存碎片。提供64/128/……/524 288大小的內(nèi)存使用快速內(nèi)存分配管理機(jī)制，則在一個(gè)大的內(nèi)存塊內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)存使用，申請(qǐng)/釋放時(shí)不涉及到系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的拆鏈/建鏈過程，比較快速，并且對(duì)釋放的內(nèi)存進(jìn)行合并，保證系統(tǒng)有盡可能多的大塊內(nèi)存。如圖4所示。

4 小結(jié)
    許多嵌入式應(yīng)用開發(fā)在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的malloc()和free()函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫自己的內(nèi)存管理方案。編寫這樣的內(nèi)存管理方案，一方面可以減少對(duì)malloc()和free()函數(shù)的依賴，統(tǒng)一內(nèi)存應(yīng)用接口，從而避免此之帶來的內(nèi)存碎片、時(shí)間不確定等缺點(diǎn)，另一方面可以增強(qiáng)程序的查錯(cuò)能力，減少內(nèi)存使用錯(cuò)誤。對(duì)于在嵌入式系統(tǒng)中廣泛存在的數(shù)據(jù)庫類型的內(nèi)存需求，把由用戶管理的內(nèi)存分為固定大小的緩沖區(qū)、以堆方式分配的緩沖區(qū)和不同固定大小內(nèi)存隊(duì)列的分配方式，體現(xiàn)了內(nèi)存管理的優(yōu)越性