嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)存管理技術(shù)的分析與比較

在ARMv5中，最高層的頁(yè)表有4 096個(gè)條目，每個(gè)條目4字節(jié)，因此整個(gè)目錄就有16 KB。由于WinCE支持多種不同的CPU，CPU設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同頁(yè)目錄也不同，但是計(jì)算方法與ARMv5類似。WinCE首先直接給每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)不同的頁(yè)表，在進(jìn)程切換中直接將不同進(jìn)程的頁(yè)表寫(xiě)入MMU的基寄存器TTBR中來(lái)實(shí)現(xiàn)映射。而Sym-bian系統(tǒng)認(rèn)為每個(gè)進(jìn)程分配16 KB頁(yè)表會(huì)造成內(nèi)存的浪費(fèi)，因此采用了另一種管理地址映射的方法。
該模型針對(duì)ARMv5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，被稱為移動(dòng)內(nèi)存模型。其核心思想是對(duì)每個(gè)進(jìn)程都提供同樣的虛擬地址空間，但是被保護(hù)的內(nèi)存頁(yè)面卻不一樣。在頁(yè)面切換中，首先將原有進(jìn)程的內(nèi)存移出執(zhí)行地址空間，使其在用戶模式下不能訪問(wèn)。接著將新進(jìn)程的數(shù)據(jù)移入執(zhí)行地址，并使其可以訪問(wèn)。這一思想是在內(nèi)存模型上層通過(guò)Chunk實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)ARMv5中提供的頁(yè)表訪問(wèn)權(quán)限和域概念，通過(guò)改變MMU中寄存器指向的域，達(dá)到進(jìn)程間保護(hù)和內(nèi)存映射。這種設(shè)計(jì)方法帶來(lái)了內(nèi)核層的低內(nèi)存消耗，但是雖然在內(nèi)核層的安全性和內(nèi)存使用效率上有所改善，卻對(duì)其他進(jìn)程的運(yùn)行帶來(lái)一定影響。當(dāng)映射到不同的虛擬地址空間，所有被修改的數(shù)據(jù)都要重新從主存中載入，并且緩存中的數(shù)據(jù)因?yàn)橐呀?jīng)被丟棄，必須重新載入。因此，該模式下的進(jìn)程上下文中很大一部分時(shí)間消耗在緩存的刷新上，一般情況下其速度是線程切換(同進(jìn)程)的1／100左右。盡管采取了其他措施，但是沒(méi)有從根本上改變運(yùn)行時(shí)間。
在最新的ARMv6中，Symbian引入了多重內(nèi)存模型。該模型兼容性更強(qiáng)，并可在主流處理器Intel x86和Re-nesas SuperH上使用。該模型建立在與設(shè)備和操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的基礎(chǔ)上，利用ARMv6中的應(yīng)用空間辨識(shí)器(ASID)，并通過(guò)物理標(biāo)記緩存技術(shù)保證了在虛擬地址和物理地址間多重映射的正確性，很好地解決了移動(dòng)內(nèi)存模型中的緩存刷新問(wèn)題。
2．4 其他技術(shù)
(1)按需頁(yè)面調(diào)度
由于在系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存遠(yuǎn)大于物理內(nèi)存，因此系統(tǒng)必須對(duì)內(nèi)存使用格外注意。一種節(jié)約物理內(nèi)存使用的方法是，只加載當(dāng)前運(yùn)行程序使用的虛擬內(nèi)存所對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存，這種方法稱為按需頁(yè)面調(diào)度。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程試圖訪問(wèn)一個(gè)不在當(dāng)前內(nèi)存中的虛擬內(nèi)存地址時(shí)，系統(tǒng)這時(shí)會(huì)重新從磁盤(pán)上將該區(qū)域加載到內(nèi)存中去。桌面操作系統(tǒng)很久以來(lái)一直使用這一技術(shù)，來(lái)加快系統(tǒng)啟動(dòng)速度和優(yōu)化程序運(yùn)行效率，WinCE也不例外。
WinCE中，可以通過(guò)使用Config．bib對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的按需頁(yè)面調(diào)度進(jìn)行設(shè)置，或通過(guò)LoadDriver等函數(shù)對(duì)單個(gè)DLL的按需頁(yè)面調(diào)度進(jìn)行設(shè)置。Symbian操作系統(tǒng)卻不支持這一技術(shù)。這主要是由于系統(tǒng)本身內(nèi)存太小，采用這一技術(shù)會(huì)帶來(lái)性能大幅下降。不過(guò)隨著手機(jī)硬件的發(fā)展，在Symbian OS v9．3以后，系統(tǒng)開(kāi)始支持按需頁(yè)面調(diào)度。這一技術(shù)優(yōu)化了內(nèi)存使用，在需要時(shí)加載只讀代碼，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)RAM的更高使用效率。這讓用戶可以更快地安裝應(yīng)用程序，并同時(shí)保持多個(gè)應(yīng)用程序的開(kāi)放狀態(tài)。
(2)內(nèi)存碎片整理
在一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，連續(xù)的頁(yè)面請(qǐng)求可能會(huì)帶來(lái)性能的下降。這是由于在小對(duì)象(小于1 KB的數(shù)據(jù)類型)對(duì)內(nèi)存的頻繁的動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和釋放過(guò)程中，由于釋放后留下的空洞不夠新對(duì)象分配，導(dǎo)致不連續(xù)的內(nèi)存可用空間無(wú)法被應(yīng)用程序獲得，造成可用內(nèi)存迅速耗盡。這種內(nèi)存空洞也叫內(nèi)存碎片。操作系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)這種情況作一定程度的優(yōu)化，但是由于將內(nèi)存可用空間壓縮而導(dǎo)致的效率負(fù)擔(dān)，并不是所有的操作系統(tǒng)都會(huì)對(duì)此優(yōu)化。
得益于Symbian操作系統(tǒng)本身優(yōu)化的內(nèi)存管理和高度受限的內(nèi)存使用原則，內(nèi)存碎片其實(shí)并不會(huì)對(duì)手機(jī)系統(tǒng)的性能和內(nèi)存使用率造成明顯影響，因此早期的Symbian版本并不支持內(nèi)存碎片整理，只提供簡(jiǎn)單的手動(dòng)內(nèi)存壓縮功能。Symbian 9．5之所以引入“自動(dòng)”內(nèi)存碎片整理，一個(gè)重要的原因是：目前手機(jī)終端的內(nèi)存容量變得越來(lái)越大，內(nèi)存的能耗已經(jīng)不容忽視。在新版本中，借助內(nèi)存碎片整理，可以關(guān)閉連續(xù)的空閑物理內(nèi)存塊以節(jié)約能耗，當(dāng)然它同時(shí)也提供了其他在主流操作系統(tǒng)中體現(xiàn)的改進(jìn)一一更高效的內(nèi)存訪問(wèn)和更大的空閑可用內(nèi)存。在WinCE中，雖然不存在自動(dòng)內(nèi)存碎片處理，但是微軟推薦使用VirtualAlloc、LocalAlloc、HeapAlloc等函數(shù)直接操作虛擬內(nèi)存頁(yè)，本地堆和分離堆進(jìn)行內(nèi)存分配操作，而不是使用如malloc、new這類會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏或異常的操作。

3 小 結(jié)
Symbian與WinCE在內(nèi)存管理模塊的設(shè)計(jì)上各有優(yōu)劣，這主要是由于兩個(gè)操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初的理念不同。Symbian設(shè)計(jì)之初是以高度受限的內(nèi)存為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，在硬件發(fā)展較為落后的時(shí)期取得了巨大的成功，但這也給第三方軟件開(kāi)發(fā)者帶來(lái)很多困難。WinCE設(shè)計(jì)之初既要保持與Windows其他系統(tǒng)在編程接口上的兼容，又要盡可能地提高內(nèi)存使用效率，這樣不免對(duì)性能帶來(lái)一定程度的影響。隨著硬件的發(fā)展，智能手機(jī)的處理器速度和內(nèi)存大小都有了很大提高，WinCE由于對(duì)第三方開(kāi)發(fā)者的友好性，其發(fā)展仍然不可限量。