μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的改進(jìn)

μC/OS-Ⅱ是一種開放源碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有搶先式、多任務(wù)的特點(diǎn)，已被應(yīng)用到眾多的微處理器上。雖然該內(nèi)核功能較多，但還是有不甚完善的地方。筆者在分析使用中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)核在任務(wù)管理(包括任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的通信與同步)和中斷管理上是比較完善的，具有可以接受的穩(wěn)定性和可靠性;但在內(nèi)存管理上顯得過(guò)于簡(jiǎn)單，內(nèi)存分區(qū)的建立方式有不合理之處。

1 內(nèi)存管理不足之處的分析

　　在分析許多μC/OS-Ⅱ的應(yīng)用實(shí)例中發(fā)現(xiàn)，任務(wù)棧空間和內(nèi)存分區(qū)的創(chuàng)建采用了定義全局?jǐn)?shù)組的方法，即定義一維或二維的全局?jǐn)?shù)組，在創(chuàng)建任務(wù)或內(nèi)存分區(qū)時(shí)，將數(shù)組名作為內(nèi)存地址指針傳遞給生成函數(shù)。這樣實(shí)現(xiàn)起來(lái)固然簡(jiǎn)單，但是不夠靈活有效。

　　編譯器會(huì)將全局?jǐn)?shù)組作為未初始化的全局變量，放到應(yīng)用程序映像的數(shù)據(jù)段。數(shù)組大小是固定的，生成映像后不可能在使用中動(dòng)態(tài)地改變。對(duì)于任務(wù)?？臻g來(lái)說(shuō)，數(shù)組定義大了會(huì)造成內(nèi)存浪費(fèi);定義小了任務(wù)棧溢出，會(huì)造成系統(tǒng)崩潰。對(duì)于內(nèi)存分區(qū)，在不知道系統(tǒng)初始化后給用戶留下了多少自由內(nèi)存空間的情況下，很難定義內(nèi)存分區(qū)所用數(shù)組的大小?？傊萌?jǐn)?shù)組來(lái)分配內(nèi)存空間是很不合理的。

　　另外，現(xiàn)在的μC/OS-Ⅱ只支持固定大小的內(nèi)存分區(qū)，容易造成內(nèi)存浪費(fèi)。μC/OS-Ⅱ?qū)?lái)應(yīng)該被改進(jìn)以支持可變大小的內(nèi)存分區(qū)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)初始化后能清楚地掌握自由內(nèi)存空間的情況是很重要的。

2 解決問(wèn)題的方法

　　為了能清楚掌握自由內(nèi)存空間的情況，避免使用全局?jǐn)?shù)組分配內(nèi)存空間，關(guān)鍵是要知道整個(gè)應(yīng)用程序在編譯、鏈接后代碼段和數(shù)據(jù)段的大小，在目標(biāo)板內(nèi)存中是如何定位的，以及目標(biāo)板內(nèi)存大小。對(duì)于最后一條，系統(tǒng)編程人員當(dāng)然是清楚的，第一條編譯器會(huì)給出，而如何定位是由編程人員根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境在系統(tǒng)初始化確定的。因此，系統(tǒng)初始化時(shí)，如果能正確安排代碼段和數(shù)據(jù)段的位置，就能清楚地知道用戶可以自由使用的內(nèi)存空間起始地址。用目標(biāo)板內(nèi)存最高端地址減去起始地址，就是這一自由空間的大小。

3 舉例描述該方法的實(shí)現(xiàn)

　　下面以在CirrusLogic公司的EP7211微處理器上使用μC/OS-Ⅱ?yàn)槔?，描述該方法的?shí)現(xiàn)過(guò)程。假設(shè)基于μC/OS-Ⅱ的應(yīng)用程序比較簡(jiǎn)單，以簡(jiǎn)化問(wèn)題的闡述。

3.1 芯片初始化過(guò)程和鏈接器的功能

　　EP7211采用了RISC體系結(jié)構(gòu)的微處理器核ARM7TDMI，該芯片支持內(nèi)存管理單元MMU。系統(tǒng)加電復(fù)位后，從零地址開始執(zhí)行由匯編語(yǔ)言編寫的初始化代碼。零地址存放著中斷向量表，第一個(gè)是復(fù)位中斷，通過(guò)該中斷向量指向的地址可以跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)初始化部分，執(zhí)行微處理器寄存器初始化。如果使用虛擬內(nèi)存，則啟動(dòng)MMU，然后是為C代碼執(zhí)行而進(jìn)行的C環(huán)境初始化。之后創(chuàng)建中斷處理程序使用的?？臻g，最后跳轉(zhuǎn)到C程序的入口執(zhí)行系統(tǒng)C程序。

　　對(duì)于應(yīng)用程序，ARM軟件開發(fā)包提供的ARM鏈接器會(huì)產(chǎn)生只讀段(read-only section RO)、讀寫段(read-write section RW)和零初始化段(zero-initialized section ZI)。每種段可以有多個(gè)，對(duì)較簡(jiǎn)單的程序一般各有一個(gè)。

　　只讀段就是代碼段，讀寫段是已經(jīng)初始化的全局變量，而零初始化段中存放未初始化的全局變量。鏈接器同時(shí)提供這三種段的起始地址和結(jié)束地址，并用已定義的符號(hào)表示。描述如下:Image＄＄RO＄＄Base表示只讀段的起始地址，Image＄＄RO＄＄Limit表示只讀段結(jié)束后的首地址;Image＄＄RW＄＄Base 表示讀寫段的起始地址，Image＄＄RW＄＄Limit表示讀寫段結(jié)束后的首地址;Image＄＄ZI＄＄Base 表示零初始化段的起始地址，Image＄＄ZI＄＄Limit表示零初始化段結(jié)束后的首地址。

　　一般嵌入式應(yīng)用，程序鏈接定位后生成bin文件，即絕對(duì)地址空間的代碼，因此上述符號(hào)的值表示物理地址。對(duì)于簡(jiǎn)單程序，可在編譯鏈接時(shí)指定RO和RW的基地址，幫助鏈接器計(jì)算上述符號(hào)的值。對(duì)于較復(fù)雜的程序可以由scatter描述文件來(lái)定義RO和RW的基地址。

3.2 具體實(shí)例及說(shuō)明

　　所謂C環(huán)境初始化，就是利用上述符號(hào)初始化RW段和ZI段，以使后面使用全局變量的C程序正常運(yùn)行。下面是初始化部分的實(shí)例:

ENTRY ;應(yīng)用程序入口，應(yīng)該位于內(nèi)存的零地址。

;中斷向量表

B Reset_Handler

B Undefined_Handler

B SWI_Handler

B Prefetch_Handler

B Abort_Handler

NOP ;保留向量

B IRQ_Handler

B FIQ_Handler

;當(dāng)用戶使用除復(fù)位中斷以外的幾個(gè)中斷時(shí)，應(yīng)將跳轉(zhuǎn)地址換成中斷處理程序的入口地址。

Undefined_Handler

B Undefined_Handler

SWI_Handler

B SWI_Handler

Prefetch_Handler

B Prefetch_Handler

Abort_Handler

B Abort_Handler

IRQ_Handler

B IRQ_Handler

FIQ_Handler

B FIQ_Handler

;程序初始化部分

Reset_Handler

;初始化微處理器寄存器，以使其正常工作。

……

;啟動(dòng)MMU，進(jìn)入虛擬內(nèi)存管理。

……

;初始化C環(huán)境。

IMPORT |Image＄＄RO＄＄Limit|

IMPORT |Image＄＄RW＄＄Base|

IMPORT |Image＄＄ZI＄＄Base|

IMPORT |Image＄＄ZI＄＄Limit|

LDR r0， =|Image＄＄RO＄＄Limit|

LDR r1， =|Image＄＄RW＄＄Base|

LDR r3， =|Image＄＄ZI＄＄Base|

CMP r0， r1

BEQ %F1

0 CMP r1， r3

LDRCC r2， [r0]， #4

STRCC r2， [r1]， #4

BCC %B0

1 LDR r1， =|Image＄＄ZI＄＄Limit|

MOV r2， #0

2 CMP r3， r1

STRCC r2， [r3]， #4

BCC %B2

　　在RAM中初始化RW段和ZI段后，ZI段結(jié)束后的首地址到系統(tǒng)RAM最高端之間的內(nèi)存就是用戶可以自由使用的空間，也就是說(shuō)Image＄＄ZI＄＄Limit是這一內(nèi)存空間的起始地址。

　　如果系統(tǒng)使用了FIQ和IRQ中斷，在ZI段之后可以創(chuàng)建這兩種中斷的?？臻g，然后是操作系統(tǒng)使用的SVC模式下的棧空間，假設(shè)每一個(gè)棧大小為1024個(gè)字節(jié)。如果系統(tǒng)使用了定時(shí)器，還可在此之后創(chuàng)建定時(shí)器中斷的?？臻g，假設(shè)其大小也為1024個(gè)字節(jié)。此時(shí)自由內(nèi)存空間的起始地址變?yōu)?

　　Image＄＄ZI＄＄Limit+1024×4

　　在初始化代碼的最后將其作為一個(gè)參數(shù)傳遞到C程序入口，代碼如下:

LDR r0， =|Image＄＄ZI＄＄Limit|

;創(chuàng)建IRQ?？臻g。

……

;增加地址指針。

ADD r0， r0， #1024

;創(chuàng)建FIQ?？臻g。

……

;增加地址指針。

ADD r0， r0， #1024

;創(chuàng)建SVC?？臻g。

……

;增加地址指針。

ADD r0， r0， #1024

;創(chuàng)建定時(shí)器中斷棧空間。

……

;增加地址指針。

ADD r0， r0， #1024

;導(dǎo)入C代碼入口點(diǎn)。

IMPORT C_ENTRY

;跳轉(zhuǎn)到C代碼，此時(shí)r0作為入口參數(shù)。

B C_ENTRY

3.3 對(duì)實(shí)例的總結(jié)

　　在C程序中，上述起始地址可以作為內(nèi)存分區(qū)創(chuàng)建函數(shù)OSMemCreate()的內(nèi)存地址參數(shù)，內(nèi)存分區(qū)的最大值就是目標(biāo)板RAM的最高端地址減去起始地址的值。圖1顯示了RO段在RAM中的內(nèi)存分布情況，這種情況下，程序映像一般被保存在目標(biāo)板閃存中。系統(tǒng)從閃存啟動(dòng)后，將RO段拷貝到RAM中繼續(xù)執(zhí)行。圖2顯示了RO段在閃存中，RW和ZI段在RAM中的情況。這種情況下，系統(tǒng)啟動(dòng)和代碼的執(zhí)行都發(fā)生在閃存中。

用戶知道起始地址的值和自由內(nèi)存的大小后，就可以清楚、靈活地建立和使用內(nèi)存分區(qū)了。可以根據(jù)具體需要建立一些大小不同的內(nèi)存分區(qū)，任務(wù)棧、事件控制塊和消息隊(duì)列都可以在這些內(nèi)存分區(qū)中分配。系統(tǒng)可以非常清晰地掌握內(nèi)存使用情況。

　　本文針對(duì)一種芯片描述了如何實(shí)現(xiàn)對(duì)μC/OS-Ⅱ內(nèi)存管理的改進(jìn)。對(duì)于其它類型的微處理器，例如CISC指令集的芯片，雖然具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程有所不同，但思路是一樣的。

　　μC/OS-Ⅱ的內(nèi)存管理還有需要改進(jìn)的地方，例如，現(xiàn)在的內(nèi)存管理只支持固定大小的分區(qū)，而實(shí)際應(yīng)用中有動(dòng)態(tài)分配非固定分區(qū)的需求。這就要求μC/OS-Ⅱ有實(shí)現(xiàn)該功能的軟件結(jié)構(gòu)和內(nèi)存分配、回收算法?，F(xiàn)在能清楚地掌握系統(tǒng)初始化后內(nèi)存分布情況，為今后實(shí)現(xiàn)這些軟件結(jié)構(gòu)和算法打下了基礎(chǔ)。