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，最高層的頁表有4 096個條目，每個條目4字節(jié)，因此整個目錄就有16 KB。由于WinCE支持多種不同的CPU，CPU設(shè)計結(jié)構(gòu)不同頁目錄也不同，但是計算方法與ARMv5類似。WinCE首先直接給每個進程分配一個不同的頁表，在進程切換中直接將不同進程的頁表寫入MMU的基寄存器TTBR中來實現(xiàn)映射。而Sym-bian系統(tǒng)認為每個進程分配16 KB頁表會造成內(nèi)存的浪費，因此采用了另一種管理地址映射的方法。
該模型針對ARMv5結(jié)構(gòu)設(shè)計，被稱為移動內(nèi)存模型。其核心思想是對每個進程都提供同樣的虛擬地址空間，但是被保護的內(nèi)存頁面卻不一樣。在頁面切換中，首先將原有進程的內(nèi)存移出執(zhí)行地址空間，使其在用戶模式下不能訪問。接著將新進程的數(shù)據(jù)移入執(zhí)行地址，并使其可以訪問。這一思想是在內(nèi)存模型上層通過Chunk實現(xiàn)的。通過ARMv5中提供的頁表訪問權(quán)限和域概念，通過改變MMU中寄存器指向的域，達到進程間保護和內(nèi)存映射。這種設(shè)計方法帶來了內(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，卻對其他進程的運行帶來一定影響。當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)因為已經(jīng)被丟棄，必須重新載入。因此，該模式下的進程上下文中很大一部分時間消耗在緩存的刷新上，一般情況下其速度是線程切換(同進程)的1／100左右。盡管采取了其他措施，但是沒有從根本上改變運行時間。
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，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)無關(guān)的基礎(chǔ)上，利用ARMv6中的應(yīng)用空間辨識器(ASID)，并通過物理標記緩存技術(shù)保證了在虛擬地址和物理地址間多重映射的正確性，很好地解決了移動內(nèi)存模型中的緩存刷新問題。
2．4 其他技術(shù)
(1)按需頁面調(diào)度
由于在系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存遠大于物理內(nèi)存，因此系統(tǒng)必須對內(nèi)存使用格外注意。一種節(jié)約物理內(nèi)存使用的方法是，只加載當前運行程序使用的虛擬內(nèi)存所對應(yīng)的物理內(nèi)存，這種方法稱為按需頁面調(diào)度。當一個進程試圖訪問一個不在當前內(nèi)存中的虛擬內(nèi)存地址時，系統(tǒng)這時會重新從磁盤上將該區(qū)域加載到內(nèi)存中去。桌面操作系統(tǒng)很久以來一直使用這一技術(shù)，來加快系統(tǒng)啟動速度和優(yōu)化程序運行效率，WinCE也不例外。
WinCE中，可以通過使用Config．bib對整個系統(tǒng)的按需頁面調(diào)度進行設(shè)置，或通過LoadDriver等函數(shù)對單個DLL的按需頁面調(diào)度進行設(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)會帶來性能大幅下降。不過隨著手機硬件的發(fā)展，在Symbian OS v9．3以后，系統(tǒng)開始支持按需頁面調(diào)度。這一技術(shù)優(yōu)化了內(nèi)存使用，在需要時加載只讀代碼，從而實現(xiàn)了對RAM的更高使用效率。這讓用戶可以更快地安裝應(yīng)用程序，并同時保持多個應(yīng)用程序的開放狀態(tài)。
(2)內(nèi)存碎片整理
在一個實時系統(tǒng)中，連續(xù)的頁面請求可能會帶來性能的下降。這是由于在小對象(小于1 KB的數(shù)據(jù)類型)對內(nèi)存的頻繁的動態(tài)申請和釋放過程中，由于釋放后留下的空洞不夠新對象分配，導致不連續(xù)的內(nèi)存可用空間無法被應(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)可能會對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致的效率負擔，并不是所有的操作系統(tǒng)都會對此優(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)存碎片其實并不會對手機系統(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，只提供簡單的手動內(nèi)存壓縮功能。Symbian 9．5之所以引入“自動”內(nèi)存碎片整理，一個重要的原因是：目前手機終端的內(nèi)存容量變得越來越大，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，當然它同時也提供了其他在主流操作系統(tǒng)中體現(xiàn)的改進一一更高效的內(nèi)存訪問和更大的空閑可用內(nèi)存。在WinCE中，雖然不存在自動內(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，本地堆和分離堆進行內(nèi)存分配操作，而不是使用如malloc、new這類會導致內(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)計上各有優(yōu)劣，這主要是由于兩個操作系統(tǒng)在設(shè)計之初的理念不同。Symbian設(shè)計之初是以高度受限的內(nèi)存為原則進行設(shè)計，在硬件發(fā)展較為落后的時期取得了巨大的成功，但這也給第三方軟件開發(fā)者帶來很多困難。WinCE設(shè)計之初既要保持與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，這樣不免對性能帶來一定程度的影響。隨著硬件的發(fā)展，智能手機的處理器速度和內(nèi)存大小都有了很大提高，WinCE由于對第三方開發(fā)者的友好性，其發(fā)展仍然不可限量。