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-- 發布時間：2010-12-1 13:51:45
-- 一種VxWorks內存管理方案
摘要:探討嵌入式開發對內存管理的基本要求、嵌入式開發內存管理的關鍵問題以及給出一種VxWorks內存管理方案，即把除VxWorks系統保留內存以外的內存分為三種類型進行管理：固定大小的緩沖池、動態可變的堆以及由各種固定大小的緩沖區組成的隊列。
目前，針對有內存管理單元MMU(Memory Management Unit)的處理器設計的一些桌面操作系統，如Windows、Linux，使用了虛擬存儲器的概念。虛擬內存地址被送到MMU映射為物理地址，實際存儲器被分割為相同大小的頁面，采用分頁的方式載人進程。
大多數嵌人式系統針對沒有MMU的處理器設計，不能使用處理器的虛擬內存管理技術，而采用實存儲器管理策略。因而對于內存的訪問是直接的，它對地址的訪問不需要經過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際物理地址；而且，大多數嵌人式操作系統對內存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間。一個進程在執行前，系統必須為它分配足夠的連續地址空間，然后全部載人主存儲器的連續空間。
由此可見，嵌人式系統的開發人員不得不參與系統的內存管理。從編譯內核開始，開發人員必須告訴系統這塊開發板到底擁有多少內存；在開發應用程序時，必須考慮內存的分配情況并關注應用程序需要運行空間的大小。另外， 由于采用實存儲器管理策略，用戶程序同內核以及其他用戶程序在一個地址空間，程序開發時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的正常工作，或導致其他程序的運行異常；因而，嵌人式系統的開發人員對軟件中的一些內存操作要格外小心。
1 嵌入式系統中對內存分配的要求
嵌人式系統開發對內存分配有很高的要求：
① 內存能快速申請和釋放，即快速性。嵌人式系統中對實時性的保證，要求內存分配過程要盡可能地快；
② 內存分配保持原子性，即可靠性。也就是內存分配的請求必須得到滿足，如果分配失敗可能會帶來災難性的后果；
③ 內存應該各盡其用，即高效性。內存分配要盡可能地少浪費。不可能為了保證滿足所有的內存分配請求而將內存配置得無限大。
2 VxWorks內存管理機制
VxWorks采用用戶程序、內核處于同一個地址空間的內存管理策略，軟件開發人員在開發程序時必須保證不侵犯其他程序和內核的地址空間，以免破壞系統的正常工作或導致其他程序異常運行。內核負責為程序分配內存、動態分配內存和回收內存。VxWorks為用戶提供兩種內存區域：內存域region和內存分區partitionregion是可變長的內存區，可以從創建的region中在分配段segment，region的特點是容易產生碎片，但靈活、不浪費；partition是定長的內存區，用戶可以從創建的partition中分配內存塊或在某個內存分區中再創建一個內存分區，partition的特點是無碎片、效率高，但浪費。通常，VxWorks內核和應用程序對內存的操作是基于內存分區進行的。內存池是一塊連續的內存區域，包含一個或多個內存塊。內存分區包含分區自身的描述信息(一個結構體)和一個或多個內存池，描述信息保存在系統內存分區中，內存池是該分區實際擁有的內存空間。內存分區剛創建完畢時，只有一個內存池，以后用戶程序可往該分區中添加內存池。內存池之間的地址不一
定連續，VxWorks在啟動過程中會創建一個包含系統內存池的系統內存分區，如圖1所示。VxWorks的內存管理采用自由鏈管理內存空閑塊。用首先適配算法動態分配內存，內存釋放時，采用上下空閑區融合的方法，即把相鄰的空閑內存塊合并，沒有清理碎片的功能。
3 對VxWorks內存管理的改進
改進的緩沖區管理模塊的作用在于加強VxWorks實時操作系統對內存的管理，并為上層應用程序提供所需內存申請和釋放工作。因此本改進模塊位于VxWorks實時操作系統模塊和應用程序模塊之間。
CPU實際物理內存在bootRoom啟動時劃分為兩部分：VxWorks內核操作系統內存和保留給用戶管理的內存。為了便于管理，對為用戶保留內存作進一步劃分，使用memPartCreate函數創建兩個內存分區：一個分區用來生成預先申請好固定大小緩沖池；另一分區以堆方式向上層提供的緩沖池。這樣就把物理內存劃分成3個部分：
(1)Paal：VxWorks系統內存，在物理低端；
(2)Part2：預先申請好的固定大小的緩沖池，每種固定長度的內存緩沖區形成一個隊列；
(3)Pan3：以堆方式提供給上層應用程序的緩沖池；
內存劃分如圖2所示。
3.1 不同大小固定長度緩沖區管理
為了避免內存碎片，我們采用預先分配內存塊的方式實現對堆內存分區進行管理：分區內的所有內存隊列，每個隊列管理一定數量大小相同且已經申請好的內存塊，這些內存塊永久占用。然后對每個內存隊列管理數據結構進行維護。上層應用程序調用模塊接口函數從緩沖池中
申請和釋放。每塊緩沖區的用戶區填充默認內容。
3.2 堆方式內存的管理
對于堆內存的使用，我們對VxWorks的兩個內核函數memPartAlloc()和memPartFree()進行了封裝，并在調試版本中加入信息，如圖3所示。
圖中：BLOCK- HDR表示內存塊頭，OAHEAD表示塊附加信息頭，pbuf指向實際的堆空間，size為堆的大小。
3.3 快速內存分配管理
對于協議等存在大量、快速地申請/釋放內存的操作而言，在系統運行一段時間后內存都變成了碎片，再申請大塊內存時容易失敗。提供一種快速的內存申請/釋放的方式，并且最大程度地減少系統的內存碎片。提供64/128/……/524 288大小的內存使用快速內存分配管理機制，則在一個大的內存塊內部進行內存使用，申請/釋放時不涉及到系統對內存的拆鏈/建鏈過程，比較快速，并且對釋放的內存進行合并，保證系統有盡可能多的大塊內存。如圖4所示。
4 小結
許多嵌入式應用開發在實時操作系統提供的malloc()和free()函數的基礎上編寫自己的內存管理方案。編寫這樣的內存管理方案，一方面可以減少對malloc()和free()函數的依賴，統一內存應用接口，從而避免此之帶來的內存碎片、時間不確定等缺點，另一方面可以增強程序的查錯能力，減少內存使用錯誤。對于在嵌入式系統中廣泛存在的數據庫類型的內存需求，把由用戶管理的內存分為固定大小的緩沖區、以堆方式分配的緩沖區和不同固定大小內存隊列的分配方式，體現了內存管理的優越性