我們知道，在ANSI C中可以用malloc()和free()兩個函數(shù)動態(tài)地分配內(nèi)存和釋放內(nèi)存。但是，在嵌入式實時操作系統(tǒng)中，多次這樣做會把原來很大的一塊連續(xù)內(nèi)存區(qū)域，逐漸地分割成許多非常小而且彼此又不相鄰的內(nèi)存區(qū)域，也就是內(nèi)存碎片。由于這些碎片的大量存在，使得程序到后來連非常小的內(nèi)存也分配不到。在4.02節(jié)的任務(wù)堆棧中，我們講到過用malloc()函數(shù)來分配堆棧時，曾經(jīng)討論過內(nèi)存碎片的問題。另外，由于內(nèi)存管理算法的原因，malloc()和free()函數(shù)執(zhí)行時間是不確定的。
在µC/OS-II中，操作系統(tǒng)把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理。每個分區(qū)中包含有整數(shù)個大小相同的內(nèi)存塊，如同圖F7.1。利用這種機制，µC/OS-II 對malloc()和free()函數(shù)進行了改進，使得它們可以分配和釋放固定大小的內(nèi)存塊。這樣一來，malloc()和free()函數(shù)的執(zhí)行時間也是固定的了。
如圖 F7.2，在一個系統(tǒng)中可以有多個內(nèi)存分區(qū)。這樣，用戶的應(yīng)用程序就可以從不同的內(nèi)存分區(qū)中得到不同大小的內(nèi)存塊。但是，特定的內(nèi)存塊在釋放時必須重新放回它以前所屬于的內(nèi)存分區(qū)。顯然，采用這樣的內(nèi)存管理算法，上面的內(nèi)存碎片問題就得到了解決。
內(nèi)存控制塊
為了便于內(nèi)存的管理，在µC/OS-II中使用內(nèi)存控制塊（memory control blocks）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來跟蹤每一個內(nèi)存分區(qū)，系統(tǒng)中的每個內(nèi)存分區(qū)都有它自己的內(nèi)存控制塊。程序清單L7.1是內(nèi)存控制塊的定義。
程序清單 L7.1 內(nèi)存控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
typedef struct {
void *OSMemAddr;
void *OSMemFreeList;
INT32U OSMemBlkSize;
INT32U OSMemNBlks;
INT32U OSMemNFree;
} OS_MEM;
.OSMemAddr是指向內(nèi)存分區(qū)起始地址的指針。它在建立內(nèi)存分區(qū)[見7.1節(jié)，建立一個內(nèi)存分區(qū)，OSMemCreate()]時被初始化，在此之后就不能更改了。
.OSMemFreeList是指向下一個空閑內(nèi)存控制塊或者下一個空閑的內(nèi)存塊的指針，具體含義要根據(jù)該內(nèi)存分區(qū)是否已經(jīng)建立來決定[見7.1節(jié)]。
.OSMemBlkSize是內(nèi)存分區(qū)中內(nèi)存塊的大小，是用戶建立該內(nèi)存分區(qū)時指定的[見7.1節(jié)]。
.OSMemNBlks是內(nèi)存分區(qū)中總的內(nèi)存塊數(shù)量，也是用戶建立該內(nèi)存分區(qū)時指定的[見7.1節(jié)]。
.OSMemNFree是內(nèi)存分區(qū)中當(dāng)前可以得空閑內(nèi)存塊數(shù)量。
如果要在µC/OS-II中使用內(nèi)存管理，需要在OS_CFG.H文件中將開關(guān)量OS_MEM_EN設(shè)置為1。這樣µC/OS-II 在啟動時就會對內(nèi)存管理器進行初始化[由OSInit()調(diào)用OSMemInit()實現(xiàn)]。該初始化主要建立一個圖 F7.3所示的內(nèi)存控制塊鏈表，其中的常數(shù)OS_MAX_MEM_PART（見文件OS_CFG.H）定義了最大的內(nèi)存分區(qū)數(shù)，該常數(shù)值至少應(yīng)為2。
建立一個內(nèi)存分區(qū)，OSMemCreate()
在使用一個內(nèi)存分區(qū)之前，必須先建立該內(nèi)存分區(qū)。這個操作可以通過調(diào)用OSMemCreate()函數(shù)來完成。程序清單 L7.2說明了如何建立一個含有100個內(nèi)存塊、每個內(nèi)存塊32字節(jié)的內(nèi)存分區(qū)。
程序清單 L7.2 建立一個內(nèi)存分區(qū)
OS_MEM *CommTxBuf;
INT8U CommTxPart[100][32];
void main (void)
{
INT8U err;
OSInit();
.
.
CommTxBuf = OSMemCreate(CommTxPart, 100, 32, &err);
.
.
OSStart();
}
程序清單 L7.3是OSMemCreate()函數(shù)的源代碼。該函數(shù)共有4個參數(shù)：內(nèi)存分區(qū)的起始地址、分區(qū)內(nèi)的內(nèi)存塊總塊數(shù)、每個內(nèi)存塊的字節(jié)數(shù)和一個指向錯誤信息代碼的指針。如果OSMemCreate()操作失敗，它將返回一個NULL指針。否則，它將返回一個指向內(nèi)存控制塊的指針。對內(nèi)存管理的其它操作，象OSMemGet()，OSMemPut()，OSMemQuery()函數(shù)等，都要通過該指針進行。
每個內(nèi)存分區(qū)必須含有至少兩個內(nèi)存塊[L7.3(1)]，每個內(nèi)存塊至少為一個指針的大小，因為同一分區(qū)中的所有空閑內(nèi)存塊是由指針串聯(lián)起來的[L7.3(2)]。接著，OSMemCreate()從系統(tǒng)中的空閑內(nèi)存控制塊中取得一個內(nèi)存控制塊[L7.3(3)]，該內(nèi)存控制塊包含相應(yīng)內(nèi)存分區(qū)的運行信息。OSMemCreate()必須在有空閑內(nèi)存控制塊可用的情況下才能建立一個內(nèi)存分區(qū)[L7.3(4)]。在上述條件均得到滿足時，所要建立的內(nèi)存分區(qū)內(nèi)的所有內(nèi)存塊被鏈接成一個單向的鏈表[L7.3(5)]。然后，在對應(yīng)的內(nèi)存控制塊中填寫相應(yīng)的信息[L7.3(6)]。完成上述各動作后，OSMemCreate()返回指向該內(nèi)存塊的指針。該指針在以后對內(nèi)存塊的操作中使用[L7.3(6)]。
OS_MEM *OSMemCreate (void *addr, INT32U nblks, INT32U blksize, INT8U *err)
{
OS_MEM *pmem;
INT8U *pblk;
void **plink;
INT32U i;
if (nblks < 2) { (1)
*err = OS_MEM_INVALID_BLKS;
return ((OS_MEM *)0);
}
if (blksize < sizeof(void *)) { (2)
*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;
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)
}
分配一個內(nèi)存塊，OSMemGet()
應(yīng)用程序可以調(diào)用OSMemGet()函數(shù)從已經(jīng)建立的內(nèi)存分區(qū)中申請一個內(nèi)存塊。該函數(shù)的唯一參數(shù)是指向特定內(nèi)存分區(qū)的指針，該指針在建立內(nèi)存分區(qū)時，由OSMemCreate()函數(shù)返回。顯然，應(yīng)用程序必須知道內(nèi)存塊的大小，并且在使用時不能超過該容量。例如，如果一個內(nèi)存分區(qū)內(nèi)的內(nèi)存塊為32字節(jié)，那么，應(yīng)用程序最多只能使用該內(nèi)存塊中的32字節(jié)。當(dāng)應(yīng)用程序不再使用這個內(nèi)存塊后，必須及時把它釋放，重新放入相應(yīng)的內(nèi)存分區(qū)中[見7.03節(jié)，釋放一個內(nèi)存塊，OSMemPut()]。
程序清單 L7.4是OSMemGet()函數(shù)的源代碼。參數(shù)中的指針pmem指向用戶希望從其中分配內(nèi)存塊的內(nèi)存分區(qū)[L7.4(1)]。OSMemGet()首先檢查內(nèi)存分區(qū)中是否有空閑的內(nèi)存塊[L7.4(2)]。如果有，從空閑內(nèi)存塊鏈表中刪除第一個內(nèi)存塊[L7.4(3)]，并對空閑內(nèi)存塊鏈表作相應(yīng)的修改 [L7.4(4)]。這包括將鏈表頭指針后移一個元素和空閑內(nèi)存塊數(shù)減1[L7.4(5)]。最后，返回指向被分配內(nèi)存塊的指針[L7.4(6)]。
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，用戶可以在中斷服務(wù)子程序中調(diào)用OSMemGet()，因為在暫時沒有內(nèi)存塊可用的情況下，OSMemGet()不會等待，而是馬上返回NULL指針。
釋放一個內(nèi)存塊，OSMemPut()
當(dāng)用戶應(yīng)用程序不再使用一個內(nèi)存塊時，必須及時地把它釋放并放回到相應(yīng)的內(nèi)存分區(qū)中。這個操作由OSMemPut()函數(shù)完成。必須注意的是，OSMemPut()并不知道一個內(nèi)存塊是屬于哪個內(nèi)存分區(qū)的。例如，用戶任務(wù)從一個包含32字節(jié)內(nèi)存塊的分區(qū)中分配了一個內(nèi)存塊，用完后，把它返還給了一個包含120字節(jié)內(nèi)存塊的內(nèi)存分區(qū)。當(dāng)用戶應(yīng)用程序下一次申請120字節(jié)分區(qū)中的一個內(nèi)存塊時，它會只得到32字節(jié)的可用空間，其它88字節(jié)屬于其它的任務(wù)，這就有可能使系統(tǒng)崩潰。
程序清單 L7.5是OSMemPut()函數(shù)的源代碼。它的第一個參數(shù)pmem是指向內(nèi)存控制塊的指針，也即內(nèi)存塊屬于的內(nèi)存分區(qū)[L7.5(1)]。OSMemPut()首先檢查內(nèi)存分區(qū)是否已滿[L7.5(2)]。如果已滿，說明系統(tǒng)在分配和釋放內(nèi)存時出現(xiàn)了錯誤。如果未滿，要釋放的內(nèi)存塊被插入到該分區(qū)的空閑內(nèi)存塊鏈表中[L7.5(3)]。最后，將分區(qū)中空閑內(nèi)存塊總數(shù)加1[L7.5(4)]。
INT8U OSMemPut (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);
}
查詢一個內(nèi)存分區(qū)的狀態(tài)，OSMemQuery()
在µC/OS-II 中，可以使用OSMemQuery()函數(shù)來查詢一個特定內(nèi)存分區(qū)的有關(guān)消息。通過該函數(shù)可以知道特定內(nèi)存分區(qū)中內(nèi)存塊的大小、可用內(nèi)存塊數(shù)和正在使用的內(nèi)存塊數(shù)等信息。所有這些信息都放在一個叫OS_MEM_DATA的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，如程序清單 L7.6。
typedef struct {
void *OSAddr; /* 指向內(nèi)存分區(qū)首地址的指針 */
void *OSFreeList; /* 指向空閑內(nèi)存塊鏈表首地址的指針 */
INT32U OSBlkSize; /* 每個內(nèi)存塊所含的字節(jié)數(shù) */
INT32U OSNBlks; /* 內(nèi)存分區(qū)總的內(nèi)存塊數(shù) */
INT32U OSNFree; /* 空閑內(nèi)存塊總數(shù) */
INT32U OSNUsed; /* 正在使用的內(nèi)存塊總數(shù) */
} OS_MEM_DATA;
程序清單 L7.7是OSMemQuery()函數(shù)的源代碼，它將指定內(nèi)存分區(qū)的信息復(fù)制到OS_MEM_DATA定義的變量的對應(yīng)域中。在此之前，代碼首先禁止了外部中斷，防止復(fù)制過程中某些變量值被修改[L7.7(1)]。由于正在使用的內(nèi)存塊數(shù)是由OS_MEM_DATA中的局部變量計算得到的，所以，可以放在（critical section中斷屏蔽）的外面。
INT8U OSMemQuery (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);
}
Using Memory Partitions
第一個任務(wù)讀取并檢查模擬輸入量的值（如氣壓、溫度、電壓等），如果其超過了一定的閾值，就向第二個任務(wù)發(fā)送一個消息。該消息中含有時間信息、出錯的通道號和錯誤代碼等可以想象的任何可能的信息。
錯誤處理程序是該例子的中心。任何任務(wù)、中斷服務(wù)子程序都可以向該任務(wù)發(fā)送出錯消息。錯誤處理程序則負(fù)責(zé)在顯示設(shè)備上顯示出錯信息，在磁盤上登記出錯記錄，或者啟動另一個任務(wù)對錯誤進行糾正等。
程序清單 L7.8 內(nèi)存分配的例子——掃描模擬量的輸入和報告出錯
AnalogInputTask()
{
for (;;) {
for (所有的模擬量都有輸入) {
讀入模擬量輸入值; (1)
if (模擬量超過閾值) {
得到一個內(nèi)存塊; (2)
得到當(dāng)前系統(tǒng)時間 (以時鐘節(jié)拍為單位); (3)
將下列各項存入內(nèi)存塊: (4)
系統(tǒng)時間 (時間戳);
超過閾值的通道號;
錯誤代碼;
錯誤等級;
等.
向錯誤隊列發(fā)送錯誤消息; (5)
(一個指向包含上述各項的內(nèi)存塊的指針)
}
}
延時任務(wù),直到要再次對模擬量進行采樣時為止;
}
}
ErrorHandlerTask()
{
for (;;) {
等待錯誤隊列的消息; (6)
(得到指向包含有關(guān)錯誤數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊的指針)
讀入消息,并根據(jù)消息的內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作; (7)
將內(nèi)存塊放回到相應(yīng)的內(nèi)存分區(qū)中; (8)
}
}
等待一個內(nèi)存塊
有時候，在內(nèi)存分區(qū)暫時沒有可用的空閑內(nèi)存塊的情況下，讓一個申請內(nèi)存塊的任務(wù)等待也是有用的。但是，µC/OS-II本身在內(nèi)存管理上并不支持這項功能。如果確實需要，則可以通過為特定內(nèi)存分區(qū)增加信號量的方法，實現(xiàn)這種功能（見6.05節(jié)，信號量）。應(yīng)用程序為了申請分配內(nèi)存塊，首先要得到一個相應(yīng)的信號量，然后才能調(diào)用OSMemGet()函數(shù)。
程序代碼首先定義了程序中使用到的各個變量[L7.9(1)]。該例中，直接使用數(shù)字定義了各個變量的大小，實際應(yīng)用中，建議將這些數(shù)字定義成常數(shù)。在系統(tǒng)復(fù)位時，µC/OS-II調(diào)用OSInit()進行系統(tǒng)初始化[L7.9(2)]，然后用內(nèi)存分區(qū)中總的內(nèi)存塊數(shù)來初始化一個信號量[L7.9(3)]，緊接著建立內(nèi)存分區(qū)[L7.9(4)]和相應(yīng)的要訪問該分區(qū)的任務(wù)[L7.9(5)]。當(dāng)然，到此為止，我們對如何增加其它的任務(wù)也已經(jīng)很清楚了。顯然，如果系統(tǒng)中只有一個任務(wù)使用動態(tài)內(nèi)存塊，就沒有必要使用信號量了。這種情況不需要保證內(nèi)存資源的互斥。事實上，除非我們要實現(xiàn)多任務(wù)共享內(nèi)存，否則連內(nèi)存分區(qū)都不需要。多任務(wù)執(zhí)行從OSStart()開始[L7.9(6)]。當(dāng)一個任務(wù)運行時，只有在信號量有效時[L7.9(7)]，才有可能得到內(nèi)存塊[L7.9(8)]。一旦信號量有效了，就可以申請內(nèi)存塊并使用它，而沒有必要對OSSemPend()返回的錯誤代碼進行檢查。因為在這里，只有當(dāng)一個內(nèi)存塊被其它任務(wù)釋放并放回到內(nèi)存分區(qū)后，µC/OS-II才會返回到該任務(wù)去執(zhí)行。同理，對OSMemGet()返回的錯誤代碼也無需做進一步的檢查（一個任務(wù)能得以繼續(xù)執(zhí)行，則內(nèi)存分區(qū)中至少有一個內(nèi)存塊是可用的）。當(dāng)一個任務(wù)不再使用某內(nèi)存塊時，只需簡單地將它釋放并返還到內(nèi)存分區(qū)[L7.9(9)]，并發(fā)送該信號量
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