嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存管理措施研究

1、嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存管理方案研究 摘要：嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存管理機(jī)制必須滿足實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。本文以開(kāi)源的的操作系統(tǒng) rtems 為例，介紹嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存管理的要求、存在的問(wèn)題以及解決的策略。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 內(nèi)存管理 靜態(tài)分配 動(dòng)態(tài)分配 引言 內(nèi)存管理機(jī)制是嵌入式系統(tǒng)研究中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)的問(wèn)題，它必須滿足以下幾個(gè)特性： 實(shí)時(shí)性。從實(shí)時(shí)性的角度岀發(fā)，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)的一些復(fù)雜而完善的內(nèi)存分配策略，一般沒(méi)有段頁(yè)式的虛存管理機(jī)制；而 是采用簡(jiǎn)單、快速的內(nèi)存分配方案，其分配方案也因程序?qū)?shí)時(shí)性的要求而異。例如，vxworks 系 統(tǒng)采用簡(jiǎn)

2、單的“首次適應(yīng)，立即聚合”方法； vrtx 中采用多個(gè)固定尺寸存儲(chǔ)塊的 binning 方案。 可靠性。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境千變?nèi)f化，在有些特定情況下，對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求極高， 內(nèi)存分配的請(qǐng)求必須得到滿足，如果分配失敗則可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。比如，飛機(jī)的燃油檢測(cè) 系統(tǒng)。在飛機(jī)飛行過(guò)程中，如果燃料發(fā)生泄漏，系統(tǒng)應(yīng)該立即檢測(cè)到，并發(fā)岀相應(yīng)的警報(bào)等待飛行 員及時(shí)處理。如果因?yàn)閮?nèi)存分配失敗而不能相應(yīng)地操作，就可能發(fā)生機(jī)毀人亡的事故。 高效性。內(nèi)存分配要盡可能地減少浪費(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 配置得很大。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

3、面，即使不考慮成本的因素，系統(tǒng)硬件環(huán)境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 很有限的。 針對(duì)以上三個(gè)約束條件，市場(chǎng)上主流的嵌入式操作系統(tǒng)，如vxworks、嵌入式linux等均提岀 了一套有效的解決方案；但是，這些系統(tǒng)只提供了應(yīng)用開(kāi)發(fā)的接口，其底層的實(shí)現(xiàn)方案不可見(jiàn)。本 文以開(kāi)源的嵌入式操作系統(tǒng) rtems 為例，分析了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存管理所面臨的問(wèn)題，研究了其底層 實(shí)現(xiàn)的解決方案。一般的嵌入式系統(tǒng)中最基本的內(nèi)存管理方案有兩種靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配。 1 靜態(tài)分配與動(dòng)態(tài)分配 靜態(tài)分配是指在編譯或鏈接時(shí)將程序所需的內(nèi)存空間分配好。采用這種分配方案的程序段，其 大小一般在編譯時(shí)就能夠確定；而動(dòng)

4、態(tài)分配是指系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地分配內(nèi)存。這兩種策略 的選取一直是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)令人頭痛的問(wèn)題。 一般的嵌入式系統(tǒng)都支持靜態(tài)分配，因?yàn)橄裰袛嘞蛄勘?、操作系統(tǒng)映像這類的程序段，其程序 大小在編譯和鏈接時(shí)是可以確定的。而是否支持動(dòng)態(tài)分配主要基于兩個(gè)方面的考慮：首先是實(shí)時(shí)性 和可靠性的要求，其次是成本的要求。對(duì)于實(shí)時(shí)性和可靠性要求極高的系統(tǒng)（硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)），不允 許延時(shí)或者分配失效，必須采用靜態(tài)內(nèi)存分配，如航天器上的嵌入式系統(tǒng)多采用靜態(tài)內(nèi)存分配。除 了基于成本的考慮外，用于汽車(chē)電子和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的一些系統(tǒng)也沒(méi)有動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，比如 windriver 著名的 osekworks 系統(tǒng)。然而，僅

5、僅采用靜態(tài)分配，使系統(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 為一旦出現(xiàn)沒(méi)有考慮到的情況，正在運(yùn)行的系統(tǒng)就無(wú)法處理。這樣的分配方案必然導(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)際運(yùn)行時(shí)很可能只使用其中的一小部 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。 雖然動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)和執(zhí)行時(shí)間不確定、內(nèi)存碎片等問(wèn)題，但是它的實(shí)現(xiàn)機(jī)制靈活， 給程序?qū)崿F(xiàn)帶來(lái)極大的方便，有的應(yīng)用環(huán)境中動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配甚至最必不可少的。比如，嵌入式系統(tǒng) 中使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，在特定的

6、平臺(tái)下，為了比較靈活地調(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，必須支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。例如，為了使系統(tǒng)能夠及時(shí)地在支持的 vlan 數(shù)和支持的路由條 目數(shù)之間作出調(diào)整，或者為了使不同的版本支持不同的協(xié)議，類似于 malloc 和 free 這類的函數(shù)是 必不可少的。 大多數(shù)的系統(tǒng)是硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)綜合。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 monotonous 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)滿足部分對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性要求不 高的任務(wù)。采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的最大

7、好處就是給設(shè)計(jì)得很大的靈活性，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。 2 rtems 內(nèi)存管現(xiàn)機(jī)制 rtems （ the rael time executive for multi-processor systems）是一個(gè)基于多處理器的， 能夠運(yùn)行在不同處理器平臺(tái)上的嵌入式操作系統(tǒng)。其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括航空航天設(shè)備（導(dǎo) 彈、飛機(jī)控制系統(tǒng)），網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機(jī)），掌上設(shè)備（電子閱讀器、pda ）等。針對(duì)不 同領(lǐng)域應(yīng)用的需求差異，該系統(tǒng)的內(nèi)存管理提供了比較完善的機(jī)制。同其它常見(jiàn)的嵌入式系統(tǒng)一 樣， rtems 不支持虛擬存儲(chǔ)管理，不支持復(fù)雜的段頁(yè)式的保護(hù)機(jī)

8、制，而采用線性編址方式，即邏輯 地址和物理地址一一對(duì)應(yīng)的平面模式，同時(shí)支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種管理模式。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi) 存中的映像如圖 1 所示。 圖1中假設(shè)內(nèi)破大小為2mbb在特定的應(yīng)用中，中斷表和rtems的映像所占用的內(nèi)存空間大小 是個(gè)定值，采用靜態(tài)的內(nèi)存分配機(jī)制，在編譯時(shí)就可以確定其大小。堆棧區(qū)和系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)則采取動(dòng) 態(tài)分配機(jī)制，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整其大小。 3 rtems 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理 rtems 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理機(jī)制提供兩種分區(qū)機(jī)制， partition 和 region 。 partition 分區(qū)管理用于固定大小內(nèi)存塊的分配， region 分區(qū)管理 用于可變大小內(nèi)存塊的

9、分 配。 3 1 固定長(zhǎng)度分區(qū)管理 rtems 定義的固定長(zhǎng)度的分區(qū)( partition )是一段連續(xù)的內(nèi)存空間。它可以被劃分成固定長(zhǎng)度 的內(nèi)存塊( buffer )，允許應(yīng)用在創(chuàng)建分區(qū)時(shí)配置分區(qū)的大小和內(nèi)存塊的大小，要求分區(qū)的大小是 內(nèi)存塊的整數(shù)倍。例如，應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)大小為 1024 字節(jié)的分區(qū)，內(nèi)存塊為 256 字節(jié)，如圖 2所示。 創(chuàng)建分區(qū)時(shí)， rtems 根據(jù)分區(qū)和內(nèi)存塊的大小，形成一個(gè)空閑內(nèi)存塊的雙向鏈表。當(dāng)從分區(qū)中 申請(qǐng)內(nèi)存塊時(shí)，按照空閑內(nèi)存塊鏈表的順序分配。如果空閑空間不足，調(diào)用者不會(huì)被阻塞，而是獲 得一個(gè)空指針，以確保申請(qǐng)內(nèi)存調(diào)用的時(shí)間確定性。釋放內(nèi)存塊時(shí)，將該內(nèi)存塊掛在空閑

10、內(nèi)存塊鏈 表的鏈尾。分區(qū)被刪除時(shí)將釋放出這段連續(xù)的內(nèi)存空間。 rtems 的分區(qū)管理機(jī)制提供以下 api ： rtems_partition_cr-eate 創(chuàng)建一個(gè)分區(qū) rtems_partition_ident 獲得分區(qū)標(biāo)識(shí)號(hào) rtems_partition_deldet1 刪除一個(gè)分區(qū) rtems_partition_get_buffer 申請(qǐng)一個(gè)內(nèi)存塊 rtems_partition_return_buffer 釋放一個(gè)內(nèi)存塊 rtems 的固定長(zhǎng)度分區(qū)管理算法有以下特色： 系統(tǒng)創(chuàng)建的分區(qū)數(shù)目可在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)增減。 內(nèi)存塊的控制結(jié)構(gòu)所占用的內(nèi)存空間在該內(nèi)存塊被分配岀去時(shí)會(huì)變?yōu)榭捎每臻g，不

11、會(huì)影響該 內(nèi)存塊實(shí)際可用的大小；而在回收時(shí)控制塊會(huì)自動(dòng)生成，這一點(diǎn)使得分區(qū)管理的系統(tǒng)開(kāi)銷對(duì)用戶的 影響為零。 在分區(qū)的內(nèi)存塊中還可以再定義分區(qū)，這就意味著內(nèi)存塊可以很容易地被分為子內(nèi)存塊，提 高了分區(qū)管理的靈活性。 3 . 2可變長(zhǎng)度分區(qū)管理 rtems定義的可變長(zhǎng)度的分區(qū)（region ）是一段連續(xù)的、大小可配置的內(nèi)存空間，可以被劃分 成很多大小不一的段（segment）。創(chuàng)建分區(qū)時(shí)要指定一個(gè)分配單元，稱為頁(yè)。段的大小是頁(yè)的倍 數(shù)，如果應(yīng)用程序在申請(qǐng)段時(shí)，給岀的大小不是頁(yè)的倍數(shù)，內(nèi)核會(huì)將其調(diào)整為頁(yè)的倍數(shù)。例如，應(yīng) 用從而大小為512個(gè)字節(jié)的分區(qū)中申請(qǐng)一個(gè)大小為 700字節(jié)的段，那么，內(nèi)核實(shí)際

12、分配的段大小為 1024字節(jié)。 創(chuàng)建region分區(qū)時(shí)，rtems根據(jù)分區(qū)大小和頁(yè)小建立分區(qū)的控制結(jié)構(gòu)和段的控制結(jié)構(gòu)。在創(chuàng)建 之初，只有一個(gè)空閑段，其大小為分區(qū)的大小減去控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)存開(kāi)銷。隨著應(yīng)用申請(qǐng)、釋放段的 操作不斷進(jìn)行，分區(qū)中形成用雙向鏈表鏈接起來(lái)的空閑段鏈。當(dāng)從分區(qū)中分配段時(shí)，依據(jù)首次適應(yīng) 算法（即第一個(gè)滿足要求的空閑段就作為分配結(jié)果）查看空閑段鏈中是否存在合適的段。當(dāng)把段釋 放回分區(qū)時(shí)，該段被掛在空閑段鏈的鏈尾，并且如果空閑段鏈中有與此段相鄰的段，則將其合并成 個(gè)更大的空閑段。rtems在段的控制塊中設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位表示其被使用的情況。標(biāo)志位為1表示 該段正被使用，標(biāo)志位為 0表示該

13、段空閑。圖3是一個(gè)分區(qū)中具有兩個(gè)空閑段和一個(gè)正被使用的段 的示例。 空閑段和已經(jīng)使用段的控制結(jié)構(gòu)有所不同，如圖4所示。 rtems的分區(qū)管理機(jī)制提供以下 api : rtems_regi on_ cr-eate 創(chuàng)建一個(gè)分區(qū) rtems_regio n_ide nt 獲得分區(qū)的標(biāo)識(shí) rtems_regi on _de-lete 刪除一個(gè)分區(qū) rtems_regi on _exte nd 擴(kuò)展一個(gè)分區(qū) rtems_regio n_ get_segme nt申請(qǐng)一個(gè)段 rtems_regio n_return_segme nt釋放一個(gè)段 rtems的可變長(zhǎng)度分區(qū)管理算法有以下特色: 系統(tǒng)創(chuàng)建的分區(qū)

14、數(shù)目可在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)增加; 段的控制結(jié)構(gòu)在該段被分配岀去后會(huì)減小，而在回收到控制快會(huì)自動(dòng)恢復(fù)大小。這一點(diǎn)使得 分區(qū)管理的系統(tǒng)開(kāi)銷降低到最?。?時(shí)應(yīng)用程序發(fā)現(xiàn)一個(gè)分區(qū)的內(nèi)存空間不夠使用時(shí)，可以調(diào)用retms_region_exte nd 函數(shù) (api )擴(kuò)展該分區(qū)的大小。 當(dāng)程序要求從某個(gè)分區(qū)獲取分段而未成功時(shí)，可以立即返回，也可以采取多種等待策略。等 待策略包括優(yōu)先級(jí)等待、fifo等待。在fifo等待策略中又可分為有限等待和無(wú)限等待。 在動(dòng)態(tài)可變長(zhǎng)度內(nèi)存管理的基礎(chǔ)上，rtems還提供了 malloc/free 等標(biāo)準(zhǔn)的c函數(shù)。在使用 malloc/free 等函數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的限制： 因?yàn)閮?nèi)存分區(qū)是一種臨界資源，由信號(hào)量保護(hù)，使用 malloc會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前調(diào)用掛起，因此它不 能用于中斷服務(wù)程序。 因?yàn)檫M(jìn)行內(nèi)存分配需要執(zhí)行查找算法，其執(zhí)行時(shí)間與系統(tǒng)當(dāng)前的內(nèi)存使用情況相關(guān)，具有不 確定性，因此對(duì)于有規(guī)定時(shí)限的操作是不適宜的。 由于采用簡(jiǎn)單的首次適