嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存管理方案研究

摘要：嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存管理機(jī)制必須滿足實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。本文以開源的的操作系統(tǒng)RTEMS為例，介紹嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存管理的要求、存在的問題以及解決的策略。

引言

內(nèi)存管理機(jī)制是嵌入式系統(tǒng)研究中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)的問題，它必須滿足以下幾個(gè)特性：

①實(shí)時(shí)性。從實(shí)時(shí)性的角度出發(fā)，要求內(nèi)存分配過程要盡可能地快。因此，在嵌入式系統(tǒng)中，不可能采用通用操作系統(tǒng)的一些復(fù)雜而完善的內(nèi)存分配策略，一般沒有段頁式的虛存管理機(jī)制；而是采用簡單、快速的內(nèi)存分配方案，其分配方案也因程序?qū)?shí)時(shí)性的要求而異。例如，VxWorks系統(tǒng)采用簡單的“首次適應(yīng)，立即聚合”方法；VRTX中采用多個(gè)固定尺寸存儲塊的binning方案。

②可靠性。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境千變?nèi)f化，在有些特定情況下，對系統(tǒng)的可靠性要求極高，內(nèi)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(zāi)難性的后果。比如，飛機(jī)的燃油檢測系統(tǒng)。在飛機(jī)飛行過程中，如果燃料發(fā)生泄漏，系統(tǒng)應(yīng)該立即檢測到，并發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)等待飛行員及時(shí)處理。如果因?yàn)閮?nèi)存分配失敗而不能相應(yīng)地操作，就可能發(fā)生機(jī)毀人亡的事故。

③高效性。內(nèi)存分配要盡可能地減少浪費(fèi)。不可能為了保證滿足所有的內(nèi)存分配請求而將內(nèi)存配置得很大。一方面，嵌入式系統(tǒng)對成本的要求使得內(nèi)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(tǒng)硬件環(huán)境有限的空間和有限的板面積決定了可配置的內(nèi)存容量是很有限的。

針對以上三個(gè)約束條件，市場上主流的嵌入式操作系統(tǒng)，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(tǒng)只提供了應(yīng)用開發(fā)的接口，其底層的實(shí)現(xiàn)方案不可見。本文以開源的嵌入式操作系統(tǒng)RTEMS為例，分析了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存管理所面臨的問題，研究了其底層實(shí)現(xiàn)的解決方案。一般的嵌入式系統(tǒng)中最基本的內(nèi)存管理方案有兩種——靜態(tài)分配和動態(tài)分配。

1 靜態(tài)分配與動態(tài)分配

靜態(tài)分配是指在編譯或鏈接時(shí)將程序所需的內(nèi)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(shí)就能夠確定；而動態(tài)分配是指系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要動態(tài)地分配內(nèi)存。這兩種策略的選取一直是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)令人頭痛的問題。

一般的嵌入式系統(tǒng)都支持靜態(tài)分配，因?yàn)橄裰袛嘞蛄勘?、操作系統(tǒng)映像這類的程序段，其程序大小在編譯和鏈接時(shí)是可以確定的。而是否支持動態(tài)分配主要基于兩個(gè)方面的考慮：首先是實(shí)時(shí)性和可靠性的要求，其次是成本的要求。對于實(shí)時(shí)性和可靠性要求極高的系統(tǒng)（硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)），不允許延時(shí)或者分配失效，必須采用靜態(tài)內(nèi)存分配，如航天器上的嵌入式系統(tǒng)多采用靜態(tài)內(nèi)存分配。除了基于成本的考慮外，用于汽車電子和工業(yè)自動化領(lǐng)域的一些系統(tǒng)也沒有動態(tài)內(nèi)存分配，比如WindRiver著名的OSEKWorks系統(tǒng)。然而，僅僅采用靜態(tài)分配，使系統(tǒng)失去了靈活性。必須在設(shè)計(jì)階段就預(yù)先知道所需要的內(nèi)存并對之作出分配；必須在設(shè)計(jì)階段就預(yù)先考慮到所有可能的情況，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)沒有考慮到的情況，正在運(yùn)行的系統(tǒng)就無法處理。這樣的分配方案必然導(dǎo)致很大的浪費(fèi)。因?yàn)閮?nèi)存分配必須按照最壞情況進(jìn)行最大的配置，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)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(tǒng)添加功能，從而使得系統(tǒng)的升級變得困難。

雖然動態(tài)內(nèi)存分配會導(dǎo)致響應(yīng)和執(zhí)行時(shí)間不確定、內(nèi)存碎片等問題，但是它的實(shí)現(xiàn)機(jī)制靈活，給程序?qū)崿F(xiàn)帶來極大的方便，有的應(yīng)用環(huán)境中動態(tài)內(nèi)存分配甚至最必不可少的。比如，嵌入式系統(tǒng)中使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，在特定的平臺下，為了比較靈活地調(diào)整系統(tǒng)的功能，在系統(tǒng)中各個(gè)功能之間作出權(quán)衡，必須支持動態(tài)內(nèi)存分配。例如，為了使系統(tǒng)能夠及時(shí)地在支持的VLAN數(shù)和支持的路由條目數(shù)之間作出調(diào)整，或者為了使不同的版本支持不同的協(xié)議，類似于malloc和free這類的函數(shù)是必不可少的。

大多數(shù)的系統(tǒng)是硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)綜合。系統(tǒng)中的一部分任務(wù)有嚴(yán)格的時(shí)限要求，而另一部分只是要求完成得越快越好。按照RMS（Rate Monotonous Scheduling）理論，這樣的系統(tǒng)必須采用搶先式任務(wù)調(diào)度；而在這樣的系統(tǒng)中，就可以采用動態(tài)內(nèi)存分配來滿足部分對可靠性和實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)。采用動態(tài)內(nèi)存分配的最大好處就是給設(shè)計(jì)得很大的靈活性，可以方便地將原來運(yùn)行于非嵌入式操作系統(tǒng)的程序移植到嵌入式系統(tǒng)中。

2 RTEMS內(nèi)存管現(xiàn)機(jī)制

RTEMS（The Rael Time Executive for Multi-processor Systems）是一個(gè)基于多處理器的，能夠運(yùn)行在不同處理器平臺上的嵌入式操作系統(tǒng)。其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括航空航天設(shè)備（導(dǎo)彈、飛機(jī)控制系統(tǒng)），網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換 機(jī)），掌上設(shè)備（電子閱讀器、PDA）等。針對不同領(lǐng)域應(yīng)用的需求差異，該系統(tǒng)的內(nèi)存管理提供了比較完善的機(jī)制。同其它常見的嵌入式系統(tǒng)一樣，RTEMS不支持虛擬存儲管理，不支持復(fù)雜的段頁式的保護(hù)機(jī)制，而采用線性編址方式，即邏輯地址和物理地址一一對應(yīng)的平面模式，同時(shí)支持靜態(tài)和動態(tài)兩種管理模式。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi)存中的映像如圖1所示。

圖1中假設(shè)內(nèi)破大小為2MB。在特定的應(yīng)用中，中斷表和RTEMS的映像所占用的內(nèi)存空間大小是個(gè)定值，采用靜態(tài)的內(nèi)存分配機(jī)制，在編譯時(shí)就可以確定其大小。堆棧區(qū)和系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)則采取動態(tài)分配機(jī)制，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)需要自動調(diào)整其大小。

3 RTEMS動態(tài)內(nèi)存管理

RTEMS動態(tài)內(nèi)存管理機(jī)制提供兩種分區(qū)機(jī)制，Partition和Region。

Partition分區(qū)管理用于固定大小內(nèi)存塊的分配，Region分區(qū)管理 用于可變大小內(nèi)存塊的分配。

3．1 固定長度分區(qū)管理

RTEMS定義的固定長度的分區(qū)（Partition）是一段連續(xù)的內(nèi)存空間。它可以被劃分成固定長度的內(nèi)存塊(buffer)，允許應(yīng)用在創(chuàng)建分區(qū)時(shí)配置分區(qū)的大小和內(nèi)存塊的大小，要求分區(qū)的大小是內(nèi)存塊的整數(shù)倍。例如，應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)大小為1024字節(jié)的分區(qū)，內(nèi)存塊為256字節(jié)，如圖2所示。

創(chuàng)建分區(qū)時(shí)，RTEMS根據(jù)分區(qū)和內(nèi)存塊的大小，形成一個(gè)空閑內(nèi)存塊的雙向鏈表。當(dāng)從分區(qū)中申請內(nèi)存塊時(shí)，按照空閑內(nèi)存塊鏈表的順序分配。如果空閑空間不足，調(diào)用者不會被阻塞，而是獲得一個(gè)空指針，以確保申請內(nèi)存調(diào)用的時(shí)間確定性。釋放內(nèi)存塊時(shí)，將該內(nèi)存塊掛在空閑內(nèi)存塊鏈表的鏈尾。分區(qū)被刪除時(shí)將釋放出這段連續(xù)的內(nèi)存空間。

RTEMS的分區(qū)管理機(jī)制提供以下API：

rtems_partition_create 創(chuàng)建一個(gè)分區(qū)

rtems_partition_ident 獲得分區(qū)標(biāo)識號

rtems_partition_deldet1 刪除一個(gè)分區(qū)

rtems_partition_get_buffer 申請一個(gè)內(nèi)存塊

rtems_partition_return_buffer 釋放一個(gè)內(nèi)存塊

RTEMS的固定長度分區(qū)管理算法有以下特色：

①系統(tǒng)創(chuàng)建的分區(qū)數(shù)目可在運(yùn)行時(shí)動態(tài)增減。

②內(nèi)存塊的控制結(jié)構(gòu)所占用的內(nèi)存空間在該內(nèi)存塊被分配出去時(shí)會變?yōu)榭捎每臻g，不會影響該內(nèi)存塊實(shí)際可用的大??；而在回收時(shí)控制塊會自動生成，這一點(diǎn)使得分區(qū)管理的系統(tǒng)開銷對用戶的影響為零。

③在分區(qū)的內(nèi)存塊中還可以再定義分區(qū)，這就意味著內(nèi)存塊可以很容易地被分為子內(nèi)存塊，提高了分區(qū)管理的靈活性。

    3．2 可變長度分區(qū)管理

RTEMS定義的可變長度的分區(qū)（Region）是一段連續(xù)的、大小可配置的內(nèi)存空間，可以被劃分成很多大小不一的段（Segment）。創(chuàng)建分區(qū)時(shí)要指定一個(gè)分配單元，稱為頁。段的大小是頁的倍數(shù)，如果應(yīng)用程序在申請段時(shí)，給出的大小不是頁的倍數(shù)，內(nèi)核會將其調(diào)整為頁的倍數(shù)。例如，應(yīng)用從而大小為512個(gè)字節(jié)的分區(qū)中申請一個(gè)大小為700字節(jié)的段，那么，內(nèi)核實(shí)際分配的段大小為1024字節(jié)。

創(chuàng)建Region分區(qū)時(shí)，RTEMS根據(jù)分區(qū)大小和頁小建立分區(qū)的控制結(jié)構(gòu)和段的控制結(jié)構(gòu)。在創(chuàng)建之初，只有一個(gè)空閑段，其大小為分區(qū)的大小減去控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)存開銷。隨著應(yīng)用申請、釋放段的操作不斷進(jìn)行，分區(qū)中形成用雙向鏈表鏈接起來的空閑段鏈。當(dāng)從分區(qū)中分配段時(shí)，依據(jù)首次適應(yīng)算法（即第一個(gè)滿足要求的空閑段就作為分配結(jié)果）查看空閑段鏈中是否存在合適的段。當(dāng)把段釋放回分區(qū)時(shí)，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(gè)更大的空閑段。RTEMS在段的控制塊中設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位表示其被使用的情況。標(biāo)志位為1表示該段正被使用，標(biāo)志位為0表示該段空閑。圖3是一個(gè)分區(qū)中具有兩個(gè)空閑段和一個(gè)正被使用的段的示例。

空閑段和已經(jīng)使用段的控制結(jié)構(gòu)有所不同，如圖4所示。

RTEMS的分區(qū)管理機(jī)制提供以下API：

rtems_region_create 創(chuàng)建一個(gè)分區(qū)

rtems_region_ident 獲得分區(qū)的標(biāo)識

rtems_region_delete 刪除一個(gè)分區(qū)

rtems_region_extend 擴(kuò)展一個(gè)分區(qū)

rtems_region_get_segment 申請一個(gè)段

rtems_region_return_segment 釋放一個(gè)段

RTEMS的可變長度分區(qū)管理算法有以下特色：

①系統(tǒng)創(chuàng)建的分區(qū)數(shù)目可在運(yùn)行時(shí)動態(tài)增加；

②段的控制結(jié)構(gòu)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(fù)大小。這一點(diǎn)使得分區(qū)管理的系統(tǒng)開銷降低到最??；

③時(shí)應(yīng)用程序發(fā)現(xiàn)一個(gè)分區(qū)的內(nèi)存空間不夠使用時(shí)，可以調(diào)用retms_region_extend函數(shù)(API)擴(kuò)展該分區(qū)的大小。

④當(dāng)程序要求從某個(gè)分區(qū)獲取分段而未成功時(shí)，可以立即返回，也可以采取多種等待策略。等待策略包括優(yōu)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(tài)可變長度內(nèi)存管理的基礎(chǔ)上，RTEMS還提供了Malloc/free等標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)。在使用Malloc/free等函數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的限制：

①因?yàn)閮?nèi)存分區(qū)是一種臨界資源，由信號量保護(hù)，使用Malloc會導(dǎo)致當(dāng)前調(diào)用掛起，因此它不能用于中斷服務(wù)程序。

②因?yàn)檫M(jìn)行內(nèi)存分配需要執(zhí)行查找算法，其執(zhí)行時(shí)間與系統(tǒng)當(dāng)前的內(nèi)存使用情況相關(guān)，具有不確定性，因此對于有規(guī)定時(shí)限的操作是不適宜的。

③由于采用簡單的首次適應(yīng)算法，容易導(dǎo)致系統(tǒng)中存在大量的內(nèi)存碎片，降低內(nèi)存使用效率和系統(tǒng)性能。

4 結(jié)論

為了使嵌入式系統(tǒng)能夠在不同的平臺上進(jìn)行移植，使之使用與各種應(yīng)用環(huán)境，嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存管理方案在充分考慮實(shí)時(shí)性、可靠性和高效性的基礎(chǔ)上，應(yīng)該提供比較豐富的管理機(jī)制。本文分析了嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存管理的要求、存在的問題，介紹了靜態(tài)和動態(tài)兩種分配策略；以開源的RTEMS系統(tǒng)為例，介紹了嵌入式系統(tǒng)中常用的內(nèi)存管理方法，并對各種方法的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)需求作出相應(yīng)的選擇。