本帖最后由 时飞 于 2017-2-25 15:06 编辑

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嵌入式实时操作系统一般都运行在资源非常有限的芯片上，对内存管理要求比较严格，若使用方式比较粗放，很可能导致内存紧张。在此，我们先提出对内存管理的几点要求，后面再按照这个要求逐步实现。有兴趣的朋友也可以一起思考，共同实现！

对内存管理的相关要求如下：
1、在嵌入式操作系统未使用之前，为其分配的为一块连续的内存空间；
2、该内存空间可以由用户自由指定，即内存的起始位置可以进行配置，方便应用开发，也便于对内存的安全管理；
3、在用户使用时，可以从连续的内存块中自由取出指定大小的内存区域，以供专门的使用，比如为系统任务、消息队列、信号量、互斥锁等分配内存空间；
4、在用户释放内存空间后（如任务生命期结束，释放该任务占用的内存空间），可以由系统进行回收。若出现内存碎片，则相邻的内存碎片可以合并成一个较大的内存区域，供下次内存分配使用；

内存管理永远是一个操作系统中比较核心的内容，即使考虑的再周到也难以避免内存碎片的问题。尤其是动态内存的频繁分配与释放，往往会导致某些“破碎”的内存不可再次使用，尤其是嵌入式实时操作系统，内存资源更加宝贵。因此，在使用时，我们尽量把内存使用方式静态化——内存专用，即分给某一任务、消息队列、信号量或者互斥锁等的内存尽量固定下来，避免对内存的频繁分配与释放；

本帖最后由 时飞 于 2017-2-25 23:46 编辑

为嵌入式实时操作系统分配的内存大小可由用户进行配置。
#define OSMEM_SIZE                        OSTOTAL_HEAP_SIZE
用户可以通过上面的宏定义变量OSTOTAL_HEAP_SIZE进行配置，为系统分配特定大小的内存空间。上面我们对此进行再次定义，主要目的是与用户的配置隔离开，以便内存管理相关的函数操作不受用户配置的影响。下面内存管理相关的操作变量均采用宏定义变量OSMEM_SIZE实现；

由于嵌入式实时操作系统内存资源比较宝贵，在进行设计的时候，我们需要进行“量体裁衣”，尽量避免资源浪费的情况出现；接下来我们根据用户分配的内存大小设置内存控制变量的类型；
#if OSMEM_SIZE > 64000L
typedef uOS32_t uOSMemSize_t;
#else
typedef uOS16_t uOSMemSize_t;
#endif
上述代码比较简单明了，若用户定义的内存长度超出64000，我们使用uOS32_t作为内存管理的变量类型，若长度小于64000，则使用uOS16_t作为内存管理的变量类型；细心的朋友可能发现了，uOS16_t的表示范围到65535了，这里怎么使用64000作为分界线呢？是的，因为内存管理自身的相关操作也需要占用内存，这句话读起来好像有点拗口啊。在内存管理时，我们为内存块设置了若干个信息记录表（表的数量与内存块的数量是一一对应的），信息记录表用于记录该内存块的使用情况，如该内存块的前一个相邻内存块位置，后一个相邻内存块位置，以及该内存块是否已经被分配使用等等；冗余的1535个位置即为内存块记录信息使用，若系统中分配的内存块较多，则会占用的较多，一般情况下，1535的大小足够内存信息记录表使用了；

下面我们为内存定义最小可分配的内存块大小，默认为12个字节长；
#ifndef MIN_SIZE
#define MIN_SIZE             12
#endif
定义此最小内存块大小的目的也是为了避免内存区出现琐碎的碎片，从而导致碎片不可再次回收利用；

在内存定义实现之前，我们再来看一个内存对齐的宏定义；
#ifndef OSMEM_ALIGN_SIZE
#define OSMEM_ALIGN_SIZE(size) (((size) + OSMEM_ALIGNMENT - 1) & ~(OSMEM_ALIGNMENT-1))
#endif
在STM32F1系列的芯片中，我们定义OSMEM_ALIGNMENT为4字节对齐方式；通过OSMEM_ALIGN_SIZE的宏定义，我们可以获取4字节的整数倍数值，例如，若指定size大小为13或者15，则返回数值为16；

内存表信息结构体定义如下；
typedef struct _tOSMem
{
  uOSMemSize_t NextMem;        /*相邻的后一内存块地址 */
  uOSMemSize_t PrevMem;        /*相邻的前一内存块地址*/
  uOS8_t used;                        /*内存块的使用标志1: 该内存块已使用; 0: 未使用*/
}tOSMem_t;

对齐后的内存区块数值大小由如下宏定义实现：
#define SIZEOF_OSMEM_ALIGNED        OSMEM_ALIGN_SIZE(sizeof(tOSMem_t))
#define OSMEM_SIZE_ALIGNED                OSMEM_ALIGN_SIZE(OSMEM_SIZE)

下面就是操作系统内存区域具体的实现方式了：
#ifndef OSRAM_HEAP_POINTER
uOS8_t OSRamHeap[OSMEM_SIZE_ALIGNED + (2*SIZEOF_OSMEM_ALIGNED) + OSMEM_ALIGNMENT];
#define OSRAM_HEAP_POINTER OSRamHeap
#endif
上述OSRAM_HEAP_POINTER宏定义变量为系统所需的内存指针，该指针可由用户自行配置，指向具体的内存区。如若未配置，则通过数组的形式进行分配。
数组的长度=用户指定的长度+内存信息表的长度*2+内存对齐最小长度；
上述长度数值均是按照内存对齐方式处理过之后的长度数值；从上面的宏定义我们可以看出，若用户没有配置OSRAM_HEAP_POINTER的具体数值，系统则会把该变量指向数组OSRamHeap的首地址；

到现在，我们已经实现了上面提到的内存管理方面的第1和第2两项要求了，接着就是内存管理的具体实现方式了；

一些朋友看到我上面的描述可能会头晕目眩，不知所云。犹如苏轼那首经典古诗——题西林壁描述的一样：横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中。这时，朋友们需要跳出这个圈子，从整体上对系统的内存管理进行重新认识。下面我们从整体上给内存管理功能“画一个轮廓”。

在刚刚为系统分配内存区域之后，这块内存区域一定是一个连续的空间。为了便于管理，我们在这块连续的内存空间中插入内存块信息头，记录内存块的基本信息：即前面提到的与该内存块相邻的前一块内存地址，后一块内存地址，当前内存块是否已经被分配使用等等；下图即为刚刚分配完的内存分布示意图；


图示：刚刚分配完毕时的内存分布示意图

为了便于管理，我们采用全局变量gpOSMemBegin记录第一块内存地址，用全局变量gpOSMemEnd记录最后一块的内存地址；同时为了方便更快速的分配内存，我们用全局变量gpOSMemLFree记录第一块未被分配使用的内存地址；

从上图中我们可以看出，对于刚刚分配好的内存区域，我们对其初始化为两个内存块；第一个内存块标记为未被使用的内存块，信息参数Used设置为0。其信息参数NextMem初始化为OSMEM_SIZE_ALIGNED，即指向最后一个内存块信息头。因为其自身就是第一个内存块，前面已经没有可用内存块了，我们把其参数PrevMem初始化为0。我们把第二个内存块设置为最后一个内存块，永远不能被系统分配使用，仅仅用其记录内存区域的尾部，因此其信息参数Used设置为1，表示已经使用，无法被系统再次分配使用。该内存块的信息参数NextMem与PrevMem均初始化为OSMEM_SIZE_ALIGNED，即永远指向自己。

至此，系统的内存区域已经初始化完毕了，下面请朋友们猜想一下，系统具体是如何分配使用内存的呢？没错，从第一个内存块切分！是的，系统若需要使用某一大小的内存块，则需要从上述初始化完毕的第一个内存块中切分出一块使用。为了方便管理，系统需要把切分出的内存块信息记录下来，并标记上已经在使用了；若系统运行一段时间后，某一块具体内存块不再需要了，就需要把该内存块释放掉。所谓内存释放也比较简单，只需要把内存块的使用标志清除掉即可。为了便于检测，在清除内存时，也可以把内存区设置为默认值。


图示：系统运行一段时间之后的内存分布示意图

上图表示运行一段时间之后系统的内存分布示意图；上图为了画图方便，指针的指示位置有所出入；在实际使用中，内存块信息参数中的NextMem指向下一个内存块信息的首地址，内存块信息参数PrevMem指向前一个内存块信息的首地址。

为了防止内存出现碎片的情况，我们在内存释放时还需要对相邻的前后内存使用情况进行检测，若相邻区域的内存块未使用，则需要把这两个相邻的未被使用的内存块合并起来；

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shikihane 发表于 2017-2-27 09:35
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