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嵌入式系統內存的管理方案研究
摘要：嵌入式系統的內存管理機制必須滿足實時性和可靠性的要求。本文以開源的的操作系統RTEMS為例，介紹嵌入式系統中內存管理的要求、存在的問題以及解決的策略。
引言
內存管理機制是嵌入式系統研究中的一個重點和難點的問題，它必須滿足以下幾個特性：
①實時性。從實時性的角度出發，要求內存分配過程要盡可能地快。因此，在嵌入式系統中，不可能采用通用操作系統的一些復雜而完善的內存分配策略，一般沒有段頁式的虛存管理機制；而是采用簡單、快速的內存分配方案，其分配方案也因程序對實時性的要求而異。例如，VxWorks系統采用簡單的“首次適應，立即聚合”方法；VRTX中采用多個固定尺寸存儲塊的binning方案。
②可靠性。嵌入式系統應用的環境千變萬化，在有些特定情況下，對系統的可靠性要求極高，內存分配的請求必須得到滿足，如果分配失敗則可能會帶來災難性的后果。比如，飛機的燃油檢測系統。在飛機飛行過程中，如果燃料發生泄漏，系統應該立即檢測到，并發出相應的警報等待飛行員及時處理。如果因為內存分配失敗而不能相應地操作，就可能發生機毀人亡的事故。
③高效性。內存分配要盡可能地減少浪費。(收集整理)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很大。一方面，嵌入式系統對成本的要求使得內存在其中只是一種很有限的資源；另一方面，即使不考慮成本的因素，系統硬件環境有限的空間和有限的板面積決定了可配置的內存容量是很有限的。
針對以上三個約束條件，市場上主流的嵌入式操作系統，如VxWorks、嵌入式Linux等均提出了一套有效的解決方案；但是，這些系統只提供了應用開發的接口，其底層的實現方案不可見。本文以開源的嵌入式操作系統RTEMS為例，分析了嵌入式系統內存管理所面臨的問題，研究了其底層實現的解決方案。一般的嵌入式系統中最基本的內存管理方案有兩種——靜態分配和動態分配。
1 靜態分配與動態分配
靜態分配是指在編譯或鏈接時將程序所需的內存空間分配好。采用這種分配方案的程序段，其大小一般在編譯時就能夠確定；而動態分配是指系統運行時根據需要動態地分配內存。這兩種策略的選取一直是嵌入式系統設計中一個令人頭痛的問題。
一般的嵌入式系統都支持靜態分配，因為像中斷向量表、操作系統映像這類的程序段，其程序大小在編譯和鏈接時是可以確定的。而是否支持動態分配主要基于兩個方面的考慮：首先是實時性和可靠性的要求，其次是成本的要求。對于實時性和可靠性要求極高的系統（硬實時系統），不允許延時或者分配失效，必須采用靜態內存分配，如航天器上的嵌入式系統多采用靜態內存分配。除了基于成本的考慮外，用于汽車電子和工業自動化領域的一些系統也沒有動態內存分配，比如WindRiver著名的OSEKWorks系統。然而，僅僅采用靜態分配，使系統失去了靈活性。必須在設計階段就預先知道所需要的內存并對之作出分配；必須在設計階段就預先考慮到所有可能的情況，因為一旦出現沒有考慮到的情況，正在運行的系統就無法處理。這樣的分配方案必然導致很大的浪費。因為內存分配必須按照最壞情況進行最大的配置，而實際運行時很可能只使用其中的一小部分；而且在硬件平臺不變的情況下，不可能靈活地為系統添加功能，從而使得系統的升級變得困難。
雖然動態內存分配會導致響應和執行時間不確定、內存碎片等問題，但是它的實現機制靈活，給程序實現帶來極大的方便，有的應用環境中動態內存分配甚至最必不可少的。比如，嵌入式系統中使用的網絡協議棧，在特定的平臺下，為了比較靈活地調整系統的功能，在系統中各個功能之間作出權衡，必須支持動態內存分配。例如，為了使系統能夠及時地在支持的VLAN數和支持的路由條目數之間作出調整，或者為了使不同的版本支持不同的協議，類似于malloc和free這類的函數是必不可少的。
大多數的系統是硬實時和軟實時綜合。系統中的一部分任務有嚴格的時限要求，而另一部分只是要求完成得越快越好。按照RMS理論，這樣的系統必須采用搶先式任務調度；而在這樣的系統中，就可以采用動態內存分配來滿足部分對可靠性和實時性要求不高的任務。采用動態內存分配的最大好處就是給設計得很大的靈活性，可以方便地將原來運行于非嵌入式操作系統的程序移植到嵌入式系統中。
2 RTEMS內存管現機制
RTEMS（The Rael Time Executive for Multi-processor Systems）是一個基于多處理器的，能夠運行在不同處理器平臺上的嵌入式操作系統。其應用領域十分廣泛，包括航空航天設備（導彈、飛機控制系統），網絡設備（路由器、交換 機），掌上設備（電子閱讀器、PDA）等。針對不同領域應用的需求差異，該系統的內存管理提
供了比較完善的機制。同其它常見的嵌入式系統一樣，RTEMS不支持虛擬存儲管理，不支持復雜的段頁式的保護機制，而采用線性編址方式，即邏輯地址和物理地址一一對應的平面模式，同時支持靜態和動態兩種管理模式。在系統正常運行時，內存中的映像如圖1所示。
圖1中假設內破大小為2MB。在特定的應用中，中斷表和RTEMS的映像所占用的內存空間大小是個定值，采用靜態的內存分配機制，在編譯時就可以確定其大小。堆棧區和系統內存區則采取動態分配機制，在系統運行時可以根據需要自動調整其大小。
3 RTEMS動態內存管理
RTEMS動態內存管理機制提供兩種分區機制，Partition和Region。
Partition分區管理用于固定大小內存塊的分配，Region分區管理 用于可變大小內存塊的分配。
3．1 固定長度分區管理
RTEMS定義的固定長度的分區（Partition）是一段連續的內存空間。它可以被劃分成固定長度的內存塊(buffer)，允許應用在創建分區時配置分區的大小和內存塊的大小，要求分區的大小是內存塊的整數倍。例如，應用創建一個大小為1024字節的分區，內存塊為256字節，如圖2所示。
創建分區時，RTEMS根據分區和內存塊的大小，形成一個空閑內存塊的雙向鏈表。當從分區中申請內存塊時，按照空閑內存塊鏈表的順序分配。如果空閑空間不足，調用者不會被阻塞，而是獲得一個空指針，以確保申請內存調用的時間確定性。釋放內存塊時，將該內存塊掛在空閑內存塊鏈表的鏈尾。分區被刪除時將釋放出這段連續的內存空間。
RTEMS的分區管理機制提供以下API：
rtems_partition_create 創建一個分區
rtems_partition_ident 獲得分區標識號
rtems_partition_deldet1 刪除一個分區
rtems_partition_get_buffer 申請一個內存塊
rtems_partition_return_buffer 釋放一個內存塊
RTEMS的固定長度分區管理算法有以下特色：
①系統創建的分區數目可在運行時動態增減。
②內存塊的控制結構所占用的內存空間在該內存塊被分配出去時會變為可用空間，不會影響該內存塊實際可用的大小；而在回收時控制塊會自動生成，這一點使得分區管理的系統開銷對用戶的影響為零。
③在分區的內存塊中還可以再定義分區，這就意味著內存塊可以很容易地被分為子內存塊，提高了分區管理的靈活性。
3．2 可變長度分區管理
RTEMS定義的可變長度的分區（Region）是一段連續的、大小可配置的內存空間，可以被劃分成很多大小不一的段（Segment）。創建分區時要指定一個分配單元，稱為頁。段的大小是頁的倍數，如果應用程序在申請段時，給出的大小不是頁的倍數，內核會將其調整為頁的倍數。例如，應用從而大小為512個字節的分區中申請一個大小為700字節的段，那么，內核實際分配的段大小為1024字節。
創建Reg
ion分區時，RTEMS根據分區大小和頁小建立分區的控制結構和段的控制結構。在創建之初，只有一個空閑段，其大小為分區的大小減去控制結構的內存開銷。隨著應用申請、釋放段的操作不斷進行，分區中形成用雙向鏈表鏈接起來的空閑段鏈。當從分區中分配段時，依據首次適應算法（即第一個滿足要求的空閑段就作為分配結果）查看空閑段鏈中是否存在合適的段。當把段釋放回分區時，該段被掛在空閑段鏈的鏈尾，并且如果空閑段鏈中有與此段相鄰的段，則將其合并成一個更大的空閑段。RTEMS在段的控制塊中設置一個標志位表示其被使用的情況。標志位為1表示該段正被使用，標志位為0表示該段空閑。圖3是一個分區中具有兩個空閑段和一個正被使用的段的示例。
空閑段和已經使用段的控制結構有所不同，如圖4所示。
RTEMS的分區管理機制提供以下API：
rtems_region_create 創建一個分區
rtems_region_ident 獲得分區的標識
rtems_region_ 刪除一個分區
rtems_region_extend 擴展一個分區
rtems_region_get_segment 申請一個段
rtems_region_return_segment 釋放一個段
RTEMS的可變長度分區管
理算法有以下特色：
①系統創建的分區數目可在運行時動態增加；
②段的控制結構在該段被分配出去后會減小，而在回收到控制快會自動恢復大小。這一點使得分區管理的系統開銷降低到最小；
③時應用程序發現一個分區的內存空間不夠使用時，可以調用retms_region_extend函數(API)擴展該分區的大小。
④當程序要求從某個分區獲取分段而未成功時，可以立即返回，也可以采取多種等待策略。等待策略包括優先級等待、FIFO等待。在FIFO等待策略中又可分為有限等待和無限等待。
在動態可變長度內存管理的基礎上，RTEMS還提供了Malloc/free等標準的C函數。在使用Malloc/free等函數時應注意以下幾個方面的限制：
①因為內存分區是一種臨界資源，由信號量保護，使用Malloc會導致當前調用掛起，因此它不能用于中斷服務程序。
②因為進行內存分配需要執行查找算法，其執行時間與系統當前的內存使用情況相關，具有不確定性，因此對于有規定時限的操作是不適宜的。
③由于采用簡單的首次適應算法，容易導致系統中存在大量的內存碎片，降低內存使用效率和系統性能。4 結論
為了使嵌入式系統能夠在不同的平臺上進行移植，使之使用與各種應用環境，嵌入式系統內存管理方案在充分考慮實時性、可靠性和高效性的基礎上，應該提供比較豐富的管理機制。本文分析了嵌入式系統中內存管理的要求、存在的問題，介紹了靜態和動態兩種分配策略；以開源的RTEMS系統為例，介紹了嵌入式系統中常用的內存管理方法，并對各種方法的特點進行了闡述，在實際應用時，可根據需求作出相應的選擇。
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