嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)存管理技術(shù)的分析與比較

1 概 述
內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的中心任務(wù)之一。內(nèi)存管理模塊通常是操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，其主要任務(wù)是為操作系統(tǒng)內(nèi)核和各執(zhí)行程序組織內(nèi)存，跟蹤當(dāng)前內(nèi)存使用狀況，在需要時(shí)為進(jìn)程分配內(nèi)存，使用完畢后釋放并回收內(nèi)存。智能手機(jī)操作系統(tǒng)作為嵌入式操作系統(tǒng)的一種，較之普通桌面型操作系統(tǒng)，其內(nèi)存管理有著獨(dú)特之處：受硬件成本、設(shè)備體積等因素制約，內(nèi)存容量一般相當(dāng)有限，需要高效地使用；電源管理尤為重要，一次充電要保證數(shù)小時(shí)以上的工作時(shí)間；手持設(shè)備內(nèi)程序一般幾天甚至幾個(gè)月不停運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高，需保證用戶數(shù)據(jù)的安全。此外，與傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，如Vx-Works，μClinux等，智能手機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)還是一個(gè)開放性的操作系統(tǒng)，這意味著幾乎所有的智能手機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)都允許用戶安裝第三方程序。因此，在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還要綜合考慮編程的易用性及接口的模塊化，以適應(yīng)終端用戶、制造商、操作系統(tǒng)軟件開發(fā)者和第三方軟件開發(fā)者的不同需求。
1．1 Symbian操作系統(tǒng)
Symbian操作系統(tǒng)是智能手機(jī)市場(chǎng)中的主要成員，其市場(chǎng)份額超過(guò)70％。該操作系統(tǒng)由英國(guó)Symbian公司負(fù)責(zé)研發(fā)和維護(hù)，目前該公司由Nokia、SonyErisson、Panaso-nic、Samsung等公司共同所有。Symbian操作系統(tǒng)的前身是EPOC，這是一個(gè)多任務(wù)的32位軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Symbian在設(shè)計(jì)之初就是專門針對(duì)高度內(nèi)存受限的系統(tǒng)的，因此其在內(nèi)存使用和電源管理上具有很多優(yōu)勢(shì)。Symbian操作系統(tǒng)具有完善的軟件開發(fā)包，供第三方應(yīng)用程序開發(fā)使用。目前最新版本的Symbian操作系統(tǒng)為Symbian OS 9．5。
1．2 WindOWS Mobile操作系統(tǒng)
Windows Mobile是微軟為手持設(shè)備推出的“移動(dòng)版Windows”。使用Windows Mobile操作系統(tǒng)的設(shè)備主要有手機(jī)、PDA、隨身音樂(lè)播放器等。該操作系統(tǒng)是基于Windows CE內(nèi)核的一種嵌入式操作系統(tǒng)。由于與桌面Windows操作系統(tǒng)的兼容性，第三方開發(fā)者可以很方便地為Windows CE開發(fā)程序，但與桌面Windows開發(fā)仍存在較大區(qū)別。目前常用版本為Windows Mobile 6．1，最新版本6．5，均基于Windows CE 5．2內(nèi)核。為表述一致，下文中將Windows Mobile簡(jiǎn)稱為WinCE。

2 內(nèi)存管理技術(shù)分析與比較
2．1 整體架構(gòu)
Symbian操作系統(tǒng)誕生之初，是針對(duì)掌上型資源高度受限設(shè)備開發(fā)的。為了追求極致的性能和最小的資源消耗，它從操作系統(tǒng)內(nèi)核到編程框架都進(jìn)行了嚴(yán)格的優(yōu)化，甚至對(duì)C++的不少基本機(jī)制也進(jìn)行了大刀闊斧的革新。因此軟件開發(fā)者和廠商需要掌握新的Symlbian C++語(yǔ)法及新的編程接口。Symbian操作系統(tǒng)兼容性較差，一般只支持ARM系列處理器。
WinCE系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就充分考慮到對(duì)桌面操作系統(tǒng)組件和編程接口的兼容性，這樣給程序開發(fā)者帶來(lái)很大益處，并且方便廠商進(jìn)行設(shè)備升級(jí)及驅(qū)動(dòng)維護(hù)。WinCE支持多種CPU，如ARM、MIPS、SH4、x86等。因此其在內(nèi)存管理模塊設(shè)計(jì)上的兼容性和接口的規(guī)范性更好。Symbian相對(duì)于WinCE的優(yōu)勢(shì)在于其針對(duì)指定處理器設(shè)計(jì)的內(nèi)存管理模塊更加高效，但是這也以犧牲兼容性為代價(jià)。出于對(duì)電源管理的考慮，Symbian系統(tǒng)的設(shè)備CPU頻率普遍較WinCE要低，一般為100～300 MHz(WinCE是300～800 MHz)。
2．2 ROM與RAM
(1)RAM
RAM全稱為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行的程序的臨時(shí)存儲(chǔ)介質(zhì)，速度較快，但是當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)丟失。
WinCE中RAM被分成兩塊區(qū)域，對(duì)象存儲(chǔ)和程序區(qū)(系統(tǒng)堆)。對(duì)象存儲(chǔ)可以被看作類似一個(gè)永久的虛擬RAM磁盤。在Pocket PC上，當(dāng)顯示屏關(guān)閉后，系統(tǒng)并沒(méi)有真正斷電，而是進(jìn)入低功耗的睡眠狀態(tài)(由主電池來(lái)供電)。當(dāng)按下Reset按鈕后，Windows CE內(nèi)核在RAM中尋找最近一次創(chuàng)建的對(duì)象存儲(chǔ)，如果找到，就用這個(gè)對(duì)象存儲(chǔ)重新啟動(dòng)。
RAM的另一個(gè)區(qū)域是程序區(qū)。這個(gè)區(qū)域就像PC機(jī)的RAM一樣。它存放所運(yùn)行程序的堆和棧的空間。對(duì)象存儲(chǔ)和程序區(qū)的界限是可移動(dòng)的。在低內(nèi)存的情況下，系統(tǒng)會(huì)請(qǐng)求用戶把部分可用的存儲(chǔ)對(duì)象空間提供給運(yùn)行程序使用，以滿足程序運(yùn)行時(shí)對(duì)RAM的需要。在Symbian操作系統(tǒng)中，RAM不存在類似于對(duì)象存儲(chǔ)的區(qū)域，其RAM全部用于運(yùn)行程序的臨時(shí)執(zhí)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。因此一般Symbian操作系統(tǒng)上RAM大小為7～30 MB，小于winCE中的32～128 MB。
(2)ROM
ROM是只讀存儲(chǔ)器。在PC機(jī)上，ROM用來(lái)存儲(chǔ)BIOS，通常是64～128 KB。在WinCE系統(tǒng)中，ROM用來(lái)存儲(chǔ)整個(gè)操作系統(tǒng)以及和OS綁定的應(yīng)用程序。Symbian系統(tǒng)中ROM功能類似，也是用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序及系統(tǒng)DLL和配置文件。對(duì)ROM進(jìn)行寫入需要指定的設(shè)備，普通用戶無(wú)法對(duì)ROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。由于ROM中的代碼都是經(jīng)過(guò)特殊編譯，去除了重定位代碼段，因此可以在ROM上直接執(zhí)行(excute in place)，不用加載到RAM中，從而提高了啟動(dòng)速度并節(jié)省了RAM資源。
2．3 MMU
作為現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一種，智能手機(jī)操作系統(tǒng)具有強(qiáng)大而高效的MMU，在這一點(diǎn)不同于其他實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，如μC／OS-II和μClinux。通過(guò)MMU提供的內(nèi)存映射和數(shù)據(jù)保護(hù)，可以提高操作系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。MMU運(yùn)行于CPU和系統(tǒng)總線之間，負(fù)責(zé)在虛擬地址和物理地址之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在任一次內(nèi)存訪問(wèn)中都會(huì)進(jìn)行MMU的地址查找。
(1)虛擬內(nèi)存
Windows CE是32位操作系統(tǒng)，支持4 GB的虛擬地址空間。高2 GB是系統(tǒng)內(nèi)存空間，用來(lái)存儲(chǔ)相應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。低2 GB是用戶空間。所有的應(yīng)用程序均有2GB的虛擬地址，但是每個(gè)應(yīng)用程序的內(nèi)存空間都是受保護(hù)的，其他應(yīng)用程序不能訪問(wèn)。從最低的虛擬地址空間開始，分為33個(gè)slot，每個(gè)slot為32 MB。每個(gè)slot被分配為當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程。slot 0中存放當(dāng)前激活的進(jìn)程。當(dāng)WinCE在進(jìn)程間切換時(shí)，它就重新映射地址空間，把原進(jìn)程移出，新進(jìn)程移進(jìn)slot 0。這個(gè)任務(wù)是通過(guò)操作微處理器的頁(yè)轉(zhuǎn)換表來(lái)迅速完成的。
WinCE定義了4種內(nèi)存狀態(tài)：normal、limited、low、critical。這些狀態(tài)的劃分主要取決于當(dāng)前可用的內(nèi)存大小。在WinCE中，當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)存不足的情況時(shí)，線程首先被掛起。這時(shí)系統(tǒng)如果沒(méi)有可用的物理RAM，需要?？臻g的線程就會(huì)被掛起。系統(tǒng)首先發(fā)送WM_HIBERNATE消息，該消息會(huì)向所有的進(jìn)程請(qǐng)求。它們?cè)诓黄茐母髯詢?nèi)在狀態(tài)的情況下盡量釋放內(nèi)存，比如釋放GDI對(duì)象、緩沖數(shù)據(jù)等，然后限制內(nèi)存申請(qǐng)的請(qǐng)求。如果在給定的一小段時(shí)間內(nèi)，這個(gè)內(nèi)存需求不能得到響應(yīng)，就會(huì)彈出系統(tǒng)異常。在低內(nèi)存情況下不應(yīng)該嘗試使用大量的?？臻g。而在Symbian操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)能運(yùn)行的程序數(shù)量是由實(shí)際內(nèi)存大小決定的，而不限于32個(gè)。當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，運(yùn)行新程序?qū)?huì)收到內(nèi)存不足的警告，并終止進(jìn)程。