標題：一種VxWorks內(nèi)存管理方案

摘要:探討嵌入式開發(fā)對內(nèi)存管理的基本要求、嵌入式開發(fā)內(nèi)存管理的關(guān)鍵問題以及給出一種VxWorks內(nèi)存管理方案，即把除VxWorks系統(tǒng)保留內(nèi)存以外的內(nèi)存分為三種類型進行管理：固定大小的緩沖池、動態(tài)可變的堆以及由各種固定大小的緩沖區(qū)組成的隊列。

   目前，針對有內(nèi)存管理單元MMU(Memory Management Unit)的處理器設(shè)計的一些桌面操作系統(tǒng)，如Windows、Linux，使用了虛擬存儲器的概念。虛擬內(nèi)存地址被送到MMU映射為物理地址，實際存儲器被分割為相同大小的頁面，采用分頁的方式載人進程。
   大多數(shù)嵌人式系統(tǒng)針對沒有MMU的處理器設(shè)計，不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，而采用實存儲器管理策略。因而對于內(nèi)存的訪問是直接的，它對地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問的地址都是實際物理地址；而且，大多數(shù)嵌人式操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間。一個進程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為它分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載人主存儲器的連續(xù)空間。
    由此可見，嵌人式系統(tǒng)的開發(fā)人員不得不參與系統(tǒng)的內(nèi)存管理。從編譯內(nèi)核開始，開發(fā)人員必須告訴系統(tǒng)這塊開發(fā)板到底擁有多少內(nèi)存；在開發(fā)應用程序時，必須考慮內(nèi)存的分配情況并關(guān)注應用程序需要運行空間的大小。另外， 由于采用實存儲器管理策略，用戶程序同內(nèi)核以及其他用戶程序在一個地址空間，程序開發(fā)時要保證不侵犯其它程序的地址空間，以使得程序不至于破壞系統(tǒng)的正常工作，或?qū)е缕渌�程序的運行異常；因而，嵌人式系統(tǒng)的開發(fā)人員對軟件中的一些內(nèi)存操作要格外小心。

1 嵌入式系統(tǒng)中對內(nèi)存分配的要求
    嵌人式系統(tǒng)開發(fā)對內(nèi)存分配有很高的要求：
① 內(nèi)存能快速申請和釋放，即快速性。嵌人式系統(tǒng)中對實時性的保證，要求內(nèi)存分配過程要盡可能地快；
② 內(nèi)存分配保持原子性，即可靠性。也就是內(nèi)存分配的請求必須得到滿足，如果分配失敗可能會帶來災難性的后果；
③ 內(nèi)存應該各盡其用，即高效性。內(nèi)存分配要盡可能地少浪費。不可能為了保證滿足所有的內(nèi)存分配請求而將內(nèi)存配置得無限大。

2 VxWorks內(nèi)存管理機制
    VxWorks采用用戶程序、內(nèi)核處于同一個地址空間的內(nèi)存管理策略，軟件開發(fā)人員在開發(fā)程序時必須保證不侵犯其他程序和內(nèi)核的地址空間，以免破壞系統(tǒng)的正常工作或?qū)е缕渌�程序異常運行。內(nèi)核負責為程序分配內(nèi)存、動態(tài)分配內(nèi)存和回收內(nèi)存。VxWorks為用戶提供兩種內(nèi)存區(qū)域：內(nèi)存域region和內(nèi)存分區(qū)partitionregion是可變長的內(nèi)存區(qū)，可以從創(chuàng)建的region中在分配段segment，region的特點是容易產(chǎn)生碎片，但靈活、不浪費；partition是定長的內(nèi)存區(qū)，用戶可以從創(chuàng)建的partition中分配內(nèi)存塊或在某個內(nèi)存分區(qū)中再創(chuàng)建一個內(nèi)存分區(qū)，partition的特點是無碎片、效率高，但浪費。通常，VxWorks內(nèi)核和應用程序?qū)��?nèi)存的操作是基于內(nèi)存分區(qū)進行的。內(nèi)存池是一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域，包含一個或多個內(nèi)存塊。內(nèi)存分區(qū)包含分區(qū)自身的描述信息(一個結(jié)構(gòu)體)和一個或多個內(nèi)存池，描述信息保存在系統(tǒng)內(nèi)存分區(qū)中，內(nèi)存池是該分區(qū)實際擁有的內(nèi)存空間。內(nèi)存分區(qū)剛創(chuàng)建完畢時，只有一個內(nèi)存池，以后用戶程序可往該分區(qū)中添加內(nèi)存池。內(nèi)存池之間的地址不一
定連續(xù)，VxWorks在啟動過程中會創(chuàng)建一個包含系統(tǒng)內(nèi)存池的系統(tǒng)內(nèi)存分區(qū)，如圖1所示。VxWorks的內(nèi)存管理采用自由鏈管理內(nèi)存空閑塊。用首先適配算法動態(tài)分配內(nèi)存，內(nèi)存釋放時，采用上下空閑區(qū)融合的方法，即把相鄰的空閑內(nèi)存塊合并，沒有清理碎片的功能。

3 對VxWorks內(nèi)存管理的改進
    改進的緩沖區(qū)管理模塊的作用在于加強VxWorks實時操作系統(tǒng)對內(nèi)存的管理，并為上層應用程序提供所需內(nèi)存申請和釋放工作。因此本改進模塊位于VxWorks實時操作系統(tǒng)模塊和應用程序模塊之間。
    CPU實際物理內(nèi)存在bootRoom啟動時劃分為兩部分：VxWorks內(nèi)核操作系統(tǒng)內(nèi)存和保留給用戶管理的內(nèi)存。為了便于管理，對為用戶保留內(nèi)存作進一步劃分，使用memPartCreate函數(shù)創(chuàng)建兩個內(nèi)存分區(qū)：一個分區(qū)用來生成預先申請好固定大小緩沖池；另一分區(qū)以堆方式向上層提供的緩沖池。這樣就把物理內(nèi)存劃分成3個部分：
(1)Paal：VxWorks系統(tǒng)內(nèi)存，在物理低端；
(2)Part2：預先申請好的固定大小的緩沖池，每種固定長度的內(nèi)存緩沖區(qū)形成一個隊列；
(3)Pan3：以堆方式提供給上層應用程序的緩沖池；
內(nèi)存劃分如圖2所示。

3.1 不同大小固定長度緩沖區(qū)管理
    為了避免內(nèi)存碎片，我們采用預先分配內(nèi)存塊的方式實現(xiàn)對堆內(nèi)存分區(qū)進行管理：分區(qū)內(nèi)的所有內(nèi)存隊列，每個隊列管理一定數(shù)量大小相同且已經(jīng)申請好的內(nèi)存塊，這些內(nèi)存塊永久占用。然后對每個內(nèi)存隊列管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行維護。上層應用程序調(diào)用模塊接口函數(shù)從緩沖池中
申請和釋放。每塊緩沖區(qū)的用戶區(qū)填充默認內(nèi)容。

3.2 堆方式內(nèi)存的管理
    對于堆內(nèi)存的使用，我們對VxWorks的兩個內(nèi)核函數(shù)memPartAlloc()和memPartFree()進行了封裝，并在調(diào)試版本中加入信息，如圖3所示。
圖中：BLOCK- HDR表示內(nèi)存塊頭，OAHEAD表示塊附加信息頭，pbuf指向?qū)嶋H的堆空間，size為堆的大小。

3.3 快速內(nèi)存分配管理
    對于協(xié)議等存在大量、快速地申請/釋放內(nèi)存的操作而言，在系統(tǒng)運行一段時間后內(nèi)存都變成了碎片，再申請大塊內(nèi)存時容易失敗。提供一種快速的內(nèi)存申請/釋放的方式，并且最大程度地減少系統(tǒng)的內(nèi)存碎片。提供64/128/……/524 288大小的內(nèi)存使用快速內(nèi)存分配管理機制，則在一個大的內(nèi)存塊內(nèi)部進行內(nèi)存使用，申請/釋放時不涉及到系統(tǒng)對內(nèi)存的拆鏈/建鏈過程，比較快速，并且對釋放的內(nèi)存進行合并，保證系統(tǒng)有盡可能多的大塊內(nèi)存。如圖4所示。

4 小結(jié)
    許多嵌入式應用開發(fā)在實時操作系統(tǒng)提供的malloc()和free()函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫自己的內(nèi)存管理方案。編寫這樣的內(nèi)存管理方案，一方面可以減少對malloc()和free()函數(shù)的依賴，統(tǒng)一內(nèi)存應用接口，從而避免此之帶來的內(nèi)存碎片、時間不確定等缺點，另一方面可以增強程序的查錯能力，減少內(nèi)存使用錯誤。對于在嵌入式系統(tǒng)中廣泛存在的數(shù)據(jù)庫類型的內(nèi)存需求，把由用戶管理的內(nèi)存分為固定大小的緩沖區(qū)、以堆方式分配的緩沖區(qū)和不同固定大小內(nèi)存隊列的分配方式，體現(xiàn)了內(nèi)存管理的優(yōu)越性