摘要:探討嵌入式開發(fā)對內存管理的基本要求、嵌入式開發(fā)內存管理的關鍵問題以及給出一種VxWorks內存管理方案，即把除VxWorks系統(tǒng)保留內存以外的內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，針對有內存管理單元MMU(Memory Management Unit)的處理器設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的處理器設計，不能使用處理器的虛擬內存管理技術，而采用實存儲器管理策略。因而對于內存的訪問是直接的，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)的內存管理。從編譯內核開始，開發(fā)人員必須告訴系統(tǒng)這塊開發(fā)板到底擁有多少內存；在開發(fā)應用程序時，必須考慮內存的分配情況并關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，或導致其他程序的運行異常；因而，嵌人式系統(tǒng)的開發(fā)人員對軟件中的一些內存操作要格外小心。

1 嵌入式系統(tǒng)中對內存分配的要求
    嵌人式系統(tǒng)開發(fā)對內存分配有很高的要求：
① 內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，要求內存分配過程要盡可能地快；
② 內存分配保持原子性，即可靠性。也就是內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 內存應該各盡其用，即高效性。內存分配要盡可能地少浪費。不可能為了保證滿足所有的內存分配請求而將內存配置得無限大。

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

3 對VxWorks內存管理的改進
    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)對內存的管理，并為上層應用程序提供所需內存申請和釋放工作。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實際物理內存在bootRoom啟動時劃分為兩部分：VxWorks內核操作系統(tǒng)內存和保留給用戶管理的內存。為了便于管理，對為用戶保留內存作進一步劃分，使用memPartCreate函數(shù)創(chuàng)建兩個內存分區(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。這樣就把物理內存劃分成3個部分：
(1)Paal：VxWorks系統(tǒng)內存，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
    為了避免內存碎片，我們采用預先分配內存塊的方式實現(xiàn)對堆內存分區(qū)進行管理：分區(qū)內的所有內存隊列，每個隊列管理一定數(shù)量大小相同且已經(jīng)申請好的內存塊，這些內存塊永久占用。然后對每個內存隊列管理數(shù)據(jù)結構進行維護。上層應用程序調用模塊接口函數(shù)從緩沖池中
申請和釋放。每塊緩沖區(qū)的用戶區(qū)填充默認內容。

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

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

4 小結
    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)的基礎上編寫自己的內存管理方案。編寫這樣的內存管理方案，一方面可以減少對malloc()和free()函數(shù)的依賴，統(tǒng)一內存應用接口，從而避免此之帶來的內存碎片、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)庫類型的內存需求，把由用戶管理的內存分為固定大小的緩沖區(qū)、以堆方式分配的緩沖區(qū)和不同固定大小內存隊列的分配方式，體現(xiàn)了內存管理的優(yōu)越性