第12章 内存管理.doc

第12章 内存管理 1
12.0内存控制块 2
12.1建立一个内存分区，OSMemCreate() 3
12.2 分配一个内存块，OSMemGet() 5
12.3 释放一个内存块，OSMemPut() 6
12.4 查询一个内存分区的状态，OSMemQuery() 7
12.5 Using Memory Partitions 8
12.6 等待一个内存块 9

I
第12章 内存管理
我们知道，在ANSI C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F12.1。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 F12.2，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 F12.1 内存分区——Figure 12.1

图 F12.2 多个内存分区——Figure 12.2

12.0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（memory control blocks）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L12.1是内存控制块的定义。

程序清单 L12.1 内存控制块的数据结构
typedef struct {
void *OSMemAddr;
void *OSMemFreeList;
INT32U OSMemBlkSize;
INT32U OSMemNBlks;
INT32U OSMemNFree;
} 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12.1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12.1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12.1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12.1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 F12.3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 F12.3 空闲内存控制块链表——Figure 12.3
12.1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 L12.2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 L12.2 建立一个内存分区
OS_MEM *CommTxBuf;
INT8U CommTxPart[100][32];
void main (void)
{
INT8U err;
OSInit();
.
.
CommTxBuf = OSMemCreate(CommTxPart, 100, 32, &err);
.
.
OSStart();
}

程序清单 L12.3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[L12.3(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[L12.3(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[L12.3(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[L12.3(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[L12.3(5)]。然后，在对应的内存控制块中填写相应的信息[L12.3(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[L12.3(6)]。

程序清单 L12.3 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 ((OS_MEM *)0);
}
if (blksize < sizeof(void *)) { (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 F12.4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。

图 F12.4 OSMemCreate()——Figure
12.2 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12.03节，释放一个内存块，OSMemPut()]。
程序清单 L12.4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[L12.4(1)]。OSMemGet)首先检查内存分区中是否有空闲的内存块[L12.4(2)]。如果有，从空闲内存块链表中删除第一个内存块[L12.4(3)]，并对空闲内存块链表作相应的修改 [L12.4(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[L12.4(5)]。最后，返回指向被分配内存块的指针[L12.4(6)]。

程序清单 L12.4 OSMemGet()
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。

12.3 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 L12.5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[L12.5(1)]。OSMemPut()首先检查内存分区是否已满[L12.5(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[L12.5(3)]。最后，将分区中空闲内存块总数加1[L12.5(4)]。

程序清单 L12.5 OSMemPut()
INT8U OSMemPut (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);
}

12.4 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 L12.6。

程序清单 L12.6 OS_MEM_DATA数据结构
typedef struct {
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 */

INT32U OSBlkSize; /* 每个内存块所含的字节数 */
INT32U OSNBlks; /* 内存分区总的内存块数 */
INT32U OSNFree; /* 空闲内存块总数 */
INT32U OSNUsed; /* 正在使用的内存块总数 */
} OS_MEM_DATA;

程序清单 L12.7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[L12.7(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（critical section中断屏蔽）的外面。

程序清单 L12.7 OSMemQuery()
INT8U OSMemQuery (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);
}

12.5 Using Memory Partitions
图 F12.5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11章]的例子。程序清单 L12.8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 F12.5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 F12.5 使用动态内存分配——Figure 12.5

程序清单 L12.8 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)
}
}

12.6 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7.05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 L12.9。
程序代码首先定义了程序中使用到的各个变量[L12.9(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[L12.9(2)]，然后用内存分区中总的内存块数来初始化一个信号量[L12.9(3)]，紧接着建立内存分区[L12.9(4)]和相应的要访问该分区的任务[L12.9(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[L12.9(6)]。当一个任务运行时，只有在信号量有效时[L12.9(7)]，才有可能得到内存块[L12.9(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[L12.9(9)]，并发送该信号量[L12.9(10)]。

程序清单 L12.9 等待从一个内存分区中分配内存块
OS_EVENT *SemaphorePtr; (1)
OS_MEM *PartitionPtr;
INT8U Partition[100][32];
OS_STK TaskStk[1000];
void main (void)
{
INT8U err;
OSInit(); (2)
.
.
SemaphorePtr = OSSemCreate(100); (3)
PartitionPtr = OSMemCreate(Partition, 100, 32, &err); (4)
.
OSTaskCreate(Task, (void *)0, &TaskStk[999], &err); (5)
.
OSStart(); (6)
}
void Task (void *pdata)
{
INT8U err;
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)
}
}

12-11