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[提问] 内存! 内存! 内存! 嵌入式裸机编程最重要的事 [复制链接]

技术小白 (离线)
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发表于 2018-5-18 09:29:52 |显示全部楼层
   在嵌入式裸机编程中,作为一名初级的CODER。经常要与CPU、内存等打交道。CPU作为系统的动力源,其重要程度不言而喻。但是,在裸机编程中,对内存的管理也不容忽视。如果稍微不注意,轻则,可能造成内存泄漏,重则造成内存访问异常。导致系统死机。

嵌入式产品,对稳定性要求及其严格。动不动就死机,那可就麻烦大了。以下,是我本人对嵌入式系统裸机编程的内存管理的一些简介。

1. 万万不可使用系统自带的malloc和free。

malloc和free在PC编程中是很好用的一种内存分配手段。但是,其在嵌入式中,就未必好用了。由于嵌入式裸机编程中,无MMU,即内存管理单元。无法实现对内存进行动态映射(不明白什么叫动态映射的同学,可以参考网上的资料)。也就是说,实际上,malloc和free并不能实现动态的内存的管理。这需要在启动阶段专门给其分配一段空闲的内存区域作为malloc的内存区。如STM32中的启动文件startup_stm32f10x_md.s中见以下信息:
[plain] view plain copy
Heap_Size       EQU     0x00000800  AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3  
__heap_base  
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size  
__heap_limit  


其中,Heap_Size即定义一个宏定义。数值为0x00000800。Heap_Mem则为申请一块连续的内存,大小为 Heap_Size。简化为C语言版本如下:
#define Heap_Size 0x00000800
unsigned char Heap_Mem[Heap_Size] = {0};

在这里申请的这块内存,在接下来的代码中,被注册进系统中给malloc和free函数所使用:
__user_initial_stackheap
LDR     R0, =  Heap_Mem  ;  返回系统中堆内存起始地址
LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size); 返回系统中堆内存的结束地址
LDR     R3, = Stack_Mem
BX      LR


就如上面分析的那样,其实,在裸机编程的时候,对堆内存的管理。并非是智能化的,并非你想申请多少就多少。而是使用一块固定的内存用作堆内存的分配。这在设计的时候,往往不是最佳的方案。这块内存,如果被多次按照不同的大小进行申请,就会造成内存碎片。最终导致无法申请到足够的内存。导致系统运行出错。这在原本内存就已经很少的嵌入式系统中,更是不能接受的。所以,建议是把那个Heap_Size设置成 0 吧。放弃其使用吧。

而更为致命的是,有些malloc,free函数,由于工程人员的偷懒。实现甚至可能如下:
unsigned char mem_buffer[512];
unsigned char *mem_offset = & mem_buffer;
void *malloc(int size)
{
unsigned char *tmp = mem_offset;
mem_offset += size;
return (void *)tmp;
}

void free(void *mem)
{
mem_offset = mem;
}

2. 更好的替代方案:内存池。

可能有些同学,觉得:内存池,这是什么东西?

内存池,简洁地来说,就是预先分配一块固定大小的内存。以后,要申请固定大小的内存的时候,即可从该内存池中申请。用完了,自然要放回去。注意,内存池,每次申请都只能申请固定大小的内存。这样子做,有很多好处:
   (1)每次动态内存申请的大小都是固定的,可以有效防止内存碎片化。(至于为什么,可以想想,每次申请的都是固定的大小,回收也是固定的大小)
   (2)效率高,不需要复杂的内存分配算法来实现。申请,释放的时间复杂度,可以做到O(1)。
   (3)实现简单,易用。
   (4)内存的申请,释放都在可控的范围之内。不会出现以后运行着,运行着,就再也申请不到内存的情况。

内存池,并非什么很厉害的技术。实现起来,其实可以做到很简单。只需要一个链表即可。在初始化的时候,把全局变量申请来的内存,一个个放入该链表中。在申请的时候,只需要取出头部并返回即可。在释放的时候,只需要把该内存插入链表。以下是一种简单的例子(使用移植来的linux内核链表,对该链表的移植,以后有时间再去分析):
#define MEM_BUFFER_LEN  5    //内存块的数量
#define MEM_BUFFER_SIZE 256 //每块内存的大小

//内存池的描述,使用联合体,体现穷人的智慧。就如,我一同学说的:一个字节,恨不得掰成8个字节来用。
typedef union mem {
struct list_head list;
unsigned char buffer[MEM_BUFFER_SIZE];
}mem_t;
static union mem gmem[MEM_BUFFER_LEN];
LIST_HEAD(mem_pool);
//分配内存
void *mem_pop()
{
union mem *ret = NULL;
psr_t psr;
psr = ENTER_CRITICAL();
if(!list_empty(&mem_pool)) { //有可用的内存池
ret = list_first_entry(&mem_pool, union mem, list);
//printf("mem_pool = 0x%p  ret = 0x%p\n", &mem_pool, &ret->list);
list_del(&ret->list);
}
EXIT_CRITICAL(psr);
return ret;//->buffer;
}
//回收内存
void mem_push(void *mem)
{
union mem *tmp = NULL;
psr_t psr;

tmp = (void *)mem;//container_of(mem, struct mem, buffer);
psr = ENTER_CRITICAL();
list_add(&tmp->list, &mem_pool);
//printf("free = 0x%p\n", &tmp->list);

EXIT_CRITICAL(psr);
}
//初始化内存池
void mem_pool_init()
{
int i;
psr_t psr;
psr = ENTER_CRITICAL();
for(i=0; i<MEM_BUFFER_LEN; i++) {
list_add(&(gmem[i].list), &mem_pool);
//printf("add mem 0x%p\n", &(gmem[i].list));
}
EXIT_CRITICAL(psr);
}

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