μC/OS-II的内存管理

 我们知道，在ANSIC中可以用malloc()和free()两个函数动态地分配内存和释放内存。但

是，在嵌入式实时操作系统中，多次这样做会把原来很大的一块连续内存区域，逐渐地分割成

许多非常小而且彼此又不相邻的内存区域，也就是内存碎片。由于这些碎片的大量存在，使得

程序到后来连非常小的内存也分配不到。在4.02节的任务堆栈中，我们讲到过用malloc()函

数来分配堆栈时，曾经讨论过内存碎片的问题。另外，由于内存管理算法的原因，malloc()和

free()函数执行时间是不确定的。

在μC/OS-II中，操作系统把连续的大块内存按分区来管理。每个分区中包含有整数个大小相同

的内存块，如同图F7.1。利用这种机制，μC/OS-II对malloc()和free()函数进行了改进，使

得它们可以分配和释放固定大小的内存块。这样一来，malloc()和free()函数的执行时间也是

固定的了。

如图F7.2，在一个系统中可以有多个内存分区。这样，用户的应用程序就可以从不同的内存

分区中得到不同大小的内存块。但是，特定的内存块在释放时必须重新放回它以前所属于的内

存分区。显然，采用这样的内存管理算法，上面的内存碎片问题就得到了解决。

图F7.1内存分区——Figure7.1

图F7.2多个内存分区——Figure7.2

内存控制块

为了便于内存的管理，在μC/OS-II中使用内存控制块(memorycONtrolblocks)的数据结构来跟踪每一个内存分区，系统中的每个内存分区都有它自己的内存控制块。程序清单L7.1是内存控制块的定义。

程序清单L7.1内存控制块的数据结构

typedefSTruct{

void*OSMemAddr;

void*OSMemFreeList;

INT32UOSMemBlkSize;

INT32UOSMemNBlks;

INT32UOSMemNFree;

}OS_MEM;

.OSMemAddr是指向内存分区起始地址的指针。它在建立内存分区[见7.1节，建立一个内存分区，OSMemCreate()]时被初始化，在此之后就不能更改了。

.OSMemFreeList是指向下一个空闲内存控制块或者下一个空闲的内存块的指针，具体含义要根据该内存分区是否已经建立来决定[见7.1节]。

.OSMemBlkSize 是内存分区中内存块的大小，是用户建立该内存分区时指定的[见7.1节]。

.OSMemNBlks是内存分区中总的内存块数量，也是用户建立该内存分区时指定的[见7.1节]。

.OSMemNFree是内存分区中当前可以得空闲内存块数量。

如果要在μC/OS-II中使用内存管理，需要在OS_CFG.H文件中将开关量OS_MEM_EN设置为1。这样μC/OS-II在启动时就会对内存管理器进行初始化[由OSInit()调用OSMemInit()实现]。该初始化主要建立一个图F7.3所示的内存控制块链表，其中的常数OS_MAX_MEM_PART(见文件OS_CFG.H)定义了最大的内存分区数，该常数值至少应为2。

图F7.3空闲内存控制块链表——Figure7.3

建立一个内存分区，OSMemCreate()在使用一个内存分区之前，必须先建立该内存分区。这个操作可以通过调用OSMemCreate()函数来完成。程序清单L7.2说明了如何建立一个含有100个内存块、每个内存块32字节的内存分区。

程序清单L7.2建立一个内存分区

OS_MEM*CommTxBuf;

INT8UCommTxPart[100][32];

voidmain(void)

{

INT8Uerr;

OSInit();

.

.

CommTxBuf=OSMemCreate(CommTxPart,100,32,&err);

.

.

OSStart();

}

程序清单L7.3是OSMemCreate()函数的源代码。该函数共有4个参数：内存分区的起始地址、分区内的内存块总块数、每个内存块的字节数和一个指向错误信息代码的指针。如果OSMemCreate()操作失败，它将返回一个NULL指针。否则，它将返回一个指向内存控制块的指针。对内存管理的其它操作，象OSMemGet()，OSMemPut()，OSMemQuery()函数等，都要通过该指针进行。

每个内存分区必须含有至少两个内存块[L7.3(1)]，每个内存块至少为一个指针的大小，因为同一分区中的所有空闲内存块是由指针串联起来的[L7.3(2)]。接着，OSMemCreate()从系统中的空闲内存控制块中取得一个内存控制块[L7.3(3)]，该内存控制块包含相应内存分区的运行信息。OSMemCreate()必须在有空闲内存控制块可用的情况下才能建立一个内存分区[L7.3(4)]。在上述条件均得到满足时，所要建立的内存分区内的所有内存块被链接成一个单向的链表[L7.3(5)]。然后，在对应的内存控制块中填写相应的信息[L7.3(6)]。完成上述各动作后，OSMemCreate()返回指向该内存块的指针。该指针在以后对内存块的操作中使用[L7.3(6)]。

程序清单L7.3OSMemCreate()

OS_MEM*OSMemCreate(void*addr,INT32Unblks,INT32Ublksize,INT8U*err)

{

OS_MEM*pmem;

INT8U*pblk;

void**plink;

INT32Ui;

if(nblks<2){(1)

*err=OS_MEM_INVALID_BLKS;

return((OS_MEM*)0);

}

if(blksize

*err=OS_MEM_INVALID_SIZE;

return((OS_MEM*)0);

}

OS_ENTER_CRITICAL();

pmem=OSMemFreeList;(3)

if(OSMemFreeList!=(OS_MEM*)0){

OSMemFreeList=(OS_MEM*)OSMemFreeList->OSMemFreeList;

}

OS_EXIT_CRITICAL();

if(pmem==(OS_MEM*)0){(4)

*err=OS_MEM_INVALID_PART;

return((OS_MEM*)0);

}

plink=(void**)addr;(5)

pblk=(INT8U*)addr+blksize;[!--empirenews.page--]

for(i=0;i<(nblks-1);i++){

*plink=(void*)pblk;

plink=(void**)pblk;

pblk=pblk+blksize;

}

*plink=(void*)0;

OS_ENTER_CRITICAL();

pmem->OSMemAddr=addr;(6)

pmem->OSMemFreeList=addr;

pmem->OSMemNFree=nblks;

pmem->OSMemNBlks=nblks;

pmem->OSMemBlkSize=blksize;

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_NO_ERR;

return(pmem);(7)

}

图F7.4是OSMemCreate()函数完成后，内存控制块及对应的内存分区和分区内的内存块之间的关系。在程序运行期间，经过多次的内存分配和释放后，同一分区内的各内存块之间的链接顺序会发生很大的变化。

分配一个内存块，OSMemGet()应用程序可以调用OSMemGet()函数从已经建立的内存分区中申请一个内存块。该函数的唯一参数是指向特定内存分区的指针，该指针在建立内存分区时，由OSMemCreate()函数返回。显然，应用程序必须知道内存块的大小，并且在使用时不能超过该容量。例如，如果一个内存分区内的内存块为32字节，那么，应用程序最多只能使用该内存块中的32字节。当应用程序不再使用这个内存块后，必须及时把它释放，重新放入相应的内存分区中[见7.03节，释放一个内存块，OSMemPut()]。

图F7.4OSMemCreate()——Figure7.4

程序清单L7.4是OSMemGet()函数的源代码。参数中的指针pmem指向用户希望从其中分配内存块的内存分区[L7.4(1)]。OSMemGet()首先检查内存分区中是否有空闲的内存块[L7.4(2)]。

如果有，从空闲内存块链表中删除第一个内存块[L7.4(3)]，并对空闲内存块链表作相应的修改[L7.4(4)]。这包括将链表头指针后移一个元素和空闲内存块数减1[L7.4(5)]。最后，返回指向被分配内存块的指针[L7.4(6)]。

程序清单L7.4OSMemGet()

void*OSMemGet(OS_MEM*pmem,INT8U*err)(1)

{

void*pblk;

OS_ENTER_CRITICAL();

if(pmem->OSMemNFree>0){(2)

pblk=pmem->OSMemFreeList;(3)

pmem->OSMemFreeList=*(void**)pblk;(4)

pmem->OSMemNFree--;(5)

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_NO_ERR;

return(pblk);(6)

}else{

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_MEM_NO_FREE_BLKS;

return((void*)0);

}

}

值得注意的是，用户可以在中断服务子程序中调用OSMemGet()，因为在暂时没有内存块可用的情况下，OSMemGet()不会等待，而是马上返回NULL指针。

释放一个内存块，OSMemPut()

当用户应用程序不再使用一个内存块时，必须及时地把它释放并放回到相应的内存分区中。这个操作由OSMemPut()函数完成。必须注意的是，OSMemPut()并不知道一个内存块是属于哪个内存分区的。例如，用户任务从一个包含32字节内存块的分区中分配了一个内存块，用完后，把它返还给了一个包含120字节内存块的内存分区。当用户应用程序下一次申请120字节分区中的一个内存块时，它会只得到32字节的可用空间，其它88字节属于其它的任务，这就有可能使系统崩溃。

程序清单L7.5是OSMemPut()函数的源代码。它的第一个参数pmem是指向内存控制块的指针，也即内存块属于的内存分区[L7.5(1)]。OSMemPut()首先检查内存分区是否已满[L7.5(2)]。如果已满，说明系统在分配和释放内存时出现了错误。如果未满，要释放的内存块被插入到该分区的空闲内存块链表中[L7.5(3)]。最后，将分区中空闲内存块总数加1[L7.5(4)]。

程序清单L7.5OSMemPut()

INT8UOSMemPut(OS_MEM*pmem,void*pblk)(1)

{

OS_ENTER_CRITICAL();

if(pmem->OSMemNFree>=pmem->OSMemNBlks){(2)

OS_EXIT_CRITICAL();

return(OS_MEM_FULL);

}

*(void**)pblk=pmem->OSMemFreeList;(3)

pmem->OSMemFreeList=pblk;

pmem->OSMemNFree++;(4)

OS_EXIT_CRITICAL();

return(OS_NO_ERR);

}

查询一个内存分区的状态，OSMemQuery()

在μC/OS-II中，可以使用OSMemQuery()函数来查询一个特定内存分区的有关消息。通过该函数可以知道特定内存分区中内存块的大小、可用内存块数和正在使用的内存块数等信息。所有这些信息都放在一个叫OS_MEM_DATA的数据结构中，如程序清单L7.6。

程序清单L7.6OS_MEM_DATA数据结构

typedefstruct{

void*OSAddr;/*指向内存分区首地址的指针*/

void*OSFreeList;/*指向空闲内存块链表首地址的指针*/

INT32UOSBlkSize;/*每个内存块所含的字节数*/

INT32UOSNBlks;/*内存分区总的内存块数*/

INT32UOSNFree;/*空闲内存块总数*/

INT32UOSNUsed;/*正在使用的内存块总数*/

}OS_MEM_DATA;

程序清单L7.7是OSMemQuery()函数的源代码，它将指定内存分区的信息复制到OS_MEM_DATA定义的变量的对应域中。在此之前，代码首先禁止了外部中断，防止复制过程中某些变量值被修改[L7.7(1)]。由于正在使用的内存块数是由 OS_MEM_DATA中的局部变量计算得到的，所以，可以放在(criticalsection中断屏蔽)的外面。

程序清单L7.7OSMemQuery()

INT8UOSMemQuery(OS_MEM*pmem,OS_MEM_DATA*pdata)

{

OS_ENTER_CRITICAL();

pdata->OSAddr=pmem->OSMemAddr;(1)

pdata->OSFreeList=pmem->OSMemFreeList;

pdata->OSBlkSize=pmem->OSMemBlkSize;

pdata->OSNBlks=pmem->OSMemNBlks;

pdata->OSNFree=pmem->OSMemNFree;

OS_EXIT_CRITICAL();

pdata->OSNUsed=pdata->OSNBlks-pdata->OSNFree;(2)

return(OS_NO_ERR);

}

UsingMemoryPartitions[!--empirenews.page--]

图F7.5是一个演示如何使用μC/OS-II中的动态分配内存功能，以及利用它进行消息传递[见第6章]的例子。程序清单L7.8是这个例子中两个任务的示意代码，其中一些重要代码的标号和图F7.5中括号内用数字标识的动作是相对应的。

第一个任务读取并检查模拟输入量的值(如气压、温度、电压等)，如果其超过了一定的阈值，就向第二个任务发送一个消息。该消息中含有时间信息、出错的通道号和错误代码等可以想象的任何可能的信息。

错误处理程序是该例子的中心。任何任务、中断服务子程序都可以向该任务发送出错消息。错误处理程序则负责在显示设备上显示出错信息，在磁盘上登记出错记录，或者启动另一个任务对错误进行纠正等。

图F7.5使用动态内存分配——Figure7.5

程序清单L7.8内存分配的例子——扫描模拟量的输入和报告出错

AnalogInputTask()

{

for(;;){

for(所有的模拟量都有输入){

读入模拟量输入值;(1)

if(模拟量超过阈值){

得到一个内存块;(2)

得到当前系统时间(以时钟节拍为单位);(3)

将下列各项存入内存块:(4)

系统时间(时间戳);

超过阈值的通道号;

错误代码;

错误等级;

等.

向错误队列发送错误消息;(5)

(一个指向包含上述各项的内存块的指针)

}

}

延时任务,直到要再次对模拟量进行采样时为止;

}

}

ErrorHandlerTask()

{

for(;;){

等待错误队列的消息;(6)

(得到指向包含有关错误数据的内存块的指针)

读入消息,并根据消息的内容执行相应的操作;(7)

将内存块放回到相应的内存分区中;(8)

}

}

等待一个内存块

有时候，在内存分区暂时没有可用的空闲内存块的情况下，让一个申请内存块的任务等待也是有用的。但是，μC/OS-II本身在内存管理上并不支持这项功能。如果确实需要，则可以通过为特定内存分区增加信号量的方法，实现这种功能(见6.05节，信号量)。应用程序为了申请分配内存块，首先要得到一个相应的信号量，然后才能调用OSMemGet()函数。整个过程见程序清单L7.9。

程序代码首先定义了程序中使用到的各个变量[L7.9(1)]。该例中，直接使用数字定义了各个变量的大小，实际应用中，建议将这些数字定义成常数。在系统复位时，μC/OS-II调用OSInit()进行系统初始化[L7.9(2)]，然后用内存分区中总的内存块数来初始化一个信号量[L7.9(3)]，紧接着建立内存分区[L7.9(4)]和相应的要访问该分区的任务[L7.9(5)]。当然，到此为止，我们对如何增加其它的任务也已经很清楚了。显然，如果系统中只有一个任务使用动态内存块，就没有必要使用信号量了。这种情况不需要保证内存资源的互斥。事实上，除非我们要实现多任务共享内存，否则连内存分区都不需要。多任务执行从OSStart()开始[L7.9(6)]。当一个任务运行时，只有在信号量有效时[L7.9(7)]，才有可能得到内存块[L7.9(8)]。一旦信号量有效了，就可以申请内存块并使用它，而没有必要对OSSemPend()返回

的错误代码进行检查。因为在这里，只有当一个内存块被其它任务释放并放回到内存分区后，

μC/OS-II才会返回到该任务去执行。同理，对OSMemGet()返回的错误代码也无需做进一步的检查(一个任务能得以继续执行，则内存分区中至少有一个内存块是可用的)。当一个任务不再使用某内存块时，只需简单地将它释放并返还到内存分区[L7.9(9)]，并发送该信号量[L7.9(10)]。

程序清单L7.9等待从一个内存分区中分配内存块

OS_EVENT*SemaphorePtr;(1)

OS_MEM*PartitionPtr;

INT8UPartition[100][32];

OS_STKTaskStk[1000];

voidmain(void)

{

INT8Uerr;

OSInit();(2)

.

.

SemaphorePtr=OSSemCreate(100);(3)

PartitionPtr=OSMemCreate(Partition,100,32,&err);(4)

.

OSTaskCreate(Task,(void*)0,&TaskStk[999],&err);(5)

.

OSStart();(6)

}

voidTask(void*pdata)

{

INT8Uerr;

INT8U*pblock;

for(;;){

OSSemPend(SemaphorePtr,0,&err);(7)

pblock=OSMemGet(PartitionPtr,&err);(8)

.

./*使用内存块*/

.

OSMemPut(PartitionPtr,pblock);(9)

OSSemPost(SemaphorePtr);(10)

}

}