一種嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存分配方案

1 嵌入式系統(tǒng)中對(duì)內(nèi)存分配的要求

①快速性。

嵌入式系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)性的保證，要求內(nèi)存分配過(guò)程要盡可能地快。因此在嵌入式系統(tǒng)中，不可能采用通用操作系統(tǒng)中復(fù)雜而完善的內(nèi)存分配策略，一般都采用簡(jiǎn)單、快速的內(nèi)存分配方案。當(dāng)然，對(duì)實(shí)性要求的程序不同，分配方案也有所不同。例如，VxWorks采用簡(jiǎn)單的最先匹配如立即聚合方法;VRTX中采用多個(gè)固定尺寸的binning方案。

②可靠性。

也就是內(nèi)存分配的請(qǐng)求必須得到滿足，如果分配失敗可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境千變?nèi)f化，其中有一些是對(duì)可靠性要求極高的。比如，汽車的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，系統(tǒng)檢測(cè)到即將撞車，如果因?yàn)閮?nèi)存分配失敗而不能相應(yīng)的操作，就會(huì)發(fā)生車毀人亡的事故，這是不能容忍的。

③高效性。

內(nèi)存分配要盡可能地少浪費(fèi)。不可能為了保證滿足所有的內(nèi)存分配請(qǐng)求而將內(nèi)存配置得無(wú)限大。一方面，嵌入式系統(tǒng)對(duì)成本的要求使得內(nèi)存在其中只是一種很有限的資源;另一方面，即使不考慮成本的因素，系統(tǒng)有限的空間和有限的板面積決定了可配置的內(nèi)存容量是很限的。

2 靜態(tài)分配與動(dòng)態(tài)分配

究竟應(yīng)用使用靜態(tài)分配還是動(dòng)態(tài)分配，一直是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)爭(zhēng)論不休的總是。當(dāng)然，最合適的答案是對(duì)于不同的系統(tǒng)采用不同的方案。如果是系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性和可靠性的要求極高(硬實(shí)時(shí)系統(tǒng))，不能容忍一點(diǎn)延時(shí)或者一次分配失敗，當(dāng)然需要采用靜態(tài)分配方案，也就是在程序編譯時(shí)所需要的內(nèi)存都已經(jīng)分配好了。例如，火星探測(cè)器上面的嵌入式系統(tǒng)就必須采用靜態(tài)分配的方案。

另外，WindRiver公司的一款專門(mén)用于汽車電子和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) OSEKWorks中就不支持內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配。在這樣的應(yīng)用場(chǎng)合，成本不支持內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配。在這樣的應(yīng)用場(chǎng)合，成本不是優(yōu)先考慮的對(duì)象，實(shí)時(shí)性和可靠性才是必須保證的。當(dāng)然，采用靜態(tài)分配一個(gè)不可避免的總是就是系統(tǒng)失去了靈活性，必須在設(shè)計(jì)階段就預(yù)先知道所需要的內(nèi)存并對(duì)之作出分配;必須在設(shè)計(jì)階段就預(yù)先考慮到所有可能的情況，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)沒(méi)有考慮到的情況，系統(tǒng)就無(wú)法處理。

這樣的分配方案必須導(dǎo)致很大的浪費(fèi)，因?yàn)閮?nèi)存分配必須按照最壞情況進(jìn)行最大的配置，而實(shí)際上在運(yùn)行中可能使用的只是其中的一小部分;而且在硬件平臺(tái)不變的情況下，不可能靈活地為系統(tǒng)添加功能，從而使得系統(tǒng)的升級(jí)變得困難。 大多數(shù)的系統(tǒng)是硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)的綜合。也就是說(shuō)，系統(tǒng)中的一部分任務(wù)有嚴(yán)格的時(shí)限要求，而另一部分只是要求完成得越快越好。

按照RMS(Rate Monotoin Scheduling)理論，這樣的系統(tǒng)必須采用搶先式任務(wù)調(diào)度;而在這樣的系統(tǒng)中，就可以采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配來(lái)滿足那一部分可靠性和實(shí)時(shí)性要求不那么高的任務(wù)。采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的好處就是給設(shè)計(jì)者很大的靈活性，可以方便地將原來(lái)運(yùn)行于非嵌入式操作系統(tǒng)的程序移植到嵌入式系統(tǒng)中，比如，許多嵌入式系統(tǒng)中使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。如果必須采用靜態(tài)內(nèi)存分配，移植這樣的協(xié)議棧就會(huì)困難得多。另外，采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配可以使設(shè)計(jì)者在不改變基本的硬件平臺(tái)的情況下，比較靈活地調(diào)整系統(tǒng)的功能，在系統(tǒng)中各個(gè)功能之間作出權(quán)衡。例如，可以在支持的VLAN數(shù)和支持的路由條目數(shù)之間作出調(diào)整，或者不同的版本支持不同的協(xié)議。

說(shuō)到底，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配給了嵌入式系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)者在比較少的限制和較大的自由。因此，大多數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供了動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配接口，例如malloc和free 函數(shù)。

3 RTOS提供的內(nèi)存分配接口

不同的RTOS由于其不同的定位，采用不同的內(nèi)存分配策略。例如VRTX中，采用類似于GNU C中由Doug Lea開(kāi)發(fā)的內(nèi)存分配方案，即Binning算法，系統(tǒng)內(nèi)存被分成了一些固定尺寸的內(nèi)存塊的算法，系統(tǒng)內(nèi)存被分成了一些固定尺寸的內(nèi)存塊的集合。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是查找速度快而且不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。但是，它的缺點(diǎn)也很明顯，就是容易造成浪費(fèi)，因?yàn)閮?nèi)存塊的尺寸只有有限個(gè)，分配時(shí)只能取較大的內(nèi)存塊來(lái)滿足一個(gè)較小的需求，累積起來(lái)，浪費(fèi)就很大了;而且操作系統(tǒng)管理這樣一個(gè)內(nèi)存分配表也是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)。

下面詳細(xì)介紹一下我們常用的RTOS——美國(guó)風(fēng)河公司(WindRiver)的VxWorks中采用的內(nèi)存分配策略。

VxWorks的前身就是VRTX，據(jù)說(shuō)VxWorks的名稱來(lái)自make vrtx work。 VxWorks的內(nèi)存管理函數(shù)存在于2個(gè)庫(kù)中;memPartLib(緊湊的內(nèi)存分區(qū)管理器)和memLib(完整的內(nèi)存分區(qū)管理器)。前者 (memPartLib)提供的工具用于從內(nèi)存分區(qū)中分配內(nèi)存塊。該庫(kù)包含兩類程序，一類是通用工具創(chuàng)建和管理內(nèi)存分區(qū)并從這些分區(qū)中分配和管理內(nèi)存塊; 另一類是標(biāo)準(zhǔn)的malloc/free程序提供與內(nèi)存分區(qū)的接口。系統(tǒng)內(nèi)存分區(qū)(其ID為memSysPartId是一個(gè)全局變量)在內(nèi)核初始化時(shí)由 usrRoot調(diào)用memInit創(chuàng)建。其開(kāi)始地址為RAM中緊接著VxWorks的BSS段之后，大小為所有空閑內(nèi)存，如圖1所示。

當(dāng)創(chuàng)建其它分區(qū)時(shí)，一般需要先調(diào)用malloc從系統(tǒng)內(nèi)存分區(qū)中分配一段內(nèi)存才能創(chuàng)建。內(nèi)存分區(qū)的結(jié)構(gòu)定義為mem_part，包含1個(gè)對(duì)象標(biāo)記，1個(gè)雙向鏈表管理空閑塊，1個(gè)信號(hào)量保護(hù)該分區(qū)及一些統(tǒng)計(jì)信息，如總尺寸、最大塊尺寸、調(diào)試選項(xiàng)、已分配的塊數(shù)、已分配的尺寸等。其語(yǔ)句如下： typedef struct mem_part { OBJ_CORE objCore; /*對(duì)象標(biāo)志*/ DL-LIST freeList; /*空閑鏈表*/ SEMAPHORE sem; /*保護(hù)分區(qū)的信號(hào)量*/ Unsigned totalWords; /*分區(qū)中字(WORD)數(shù)*/ Unsigned minBlockWords; /*以字為單位的最小塊尺寸*/ Unsigned options; /*選項(xiàng)，用于調(diào)試或統(tǒng)計(jì)*/ /*分配統(tǒng)計(jì)*/ unsigned curBlocksAllocated; /*當(dāng)前分配的塊數(shù)*/ unsigned curWorkdAllocated; /*當(dāng)前分配的字?jǐn)?shù)*/ unsigned cumBlockAllocated; /*累積分配的塊數(shù)*/ unsigned cumWordsAllocated; /*累積分配的字?jǐn)?shù)*/ }PARTITION; 一般系統(tǒng)中只有1個(gè)內(nèi)存分區(qū)，即系統(tǒng)分區(qū)，所有任務(wù)所需要的內(nèi)存直接調(diào)用malloc從其中分配。

分配采用 First-Fit算法(注意這種算法容易導(dǎo)致大量碎片)，通過(guò)free釋放的內(nèi)存將被聚合以形成更大的空閑塊。這就是VxWorks的內(nèi)存分配機(jī)理。分配時(shí)可以要求一定的對(duì)齊格式。注意，不同的 CPU架構(gòu)有不同的對(duì)齊要求。為了優(yōu)化性能，malloc返回的指針是經(jīng)過(guò)對(duì)齊的，為此的開(kāi)銷隨構(gòu)不同而不同。例如，68K為4字節(jié)對(duì)齊，開(kāi)銷8字節(jié);SPARC為8字節(jié)對(duì)齊，開(kāi)銷12字節(jié);MIPS為16字節(jié)對(duì)齊，開(kāi)銷12字節(jié);I960為16字節(jié)對(duì)齊，開(kāi)銷16字節(jié)。