基于STM32原子戰(zhàn)艦板內(nèi)存管理源碼

最近有點(diǎn)亂，但是有關(guān)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)不曾怠慢過。本文是基于原子老師的c源碼，自己的學(xué)習(xí)的心得，只是對(duì)源碼作出自己的學(xué)習(xí)理解，同時(shí)也插補(bǔ)了一些涉及到的c語言知識(shí)。貼出本文不為別的，一來但愿能有有緣人看到本文，提出指正；二來，為了那些不眠的夜，安慰一下自己。

1， 內(nèi)存管理簡(jiǎn)介

內(nèi)存管理，是指軟件運(yùn)行時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源的分配和使用的技術(shù)。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候釋放和回收內(nèi)存資源。內(nèi)存管理的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，他們其實(shí)最終都是要實(shí)現(xiàn)2個(gè)函數(shù)：malloc和free；malloc函數(shù)用于內(nèi)存申請(qǐng)，free函數(shù)用于內(nèi)存釋放。

先回顧一下c語言知識(shí)：計(jì)算機(jī)內(nèi)存一般分為靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)用以存儲(chǔ)全局變量或常量和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)用以存儲(chǔ)函數(shù)內(nèi)部變量或形參或函數(shù)運(yùn)算結(jié)果。malloc（）函數(shù)的作用是請(qǐng)求系統(tǒng)在內(nèi)存的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)分配若干個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，函數(shù)的返回值是首字節(jié)地址，可見malloc（）函數(shù)是指針類型。free（P）的作用是釋放指針變量P所指向的動(dòng)態(tài)空間。

本章，我們介紹一種比較簡(jiǎn)單的辦法來實(shí)現(xiàn)：分塊式內(nèi)存管理。下面我們介紹一下該方法的實(shí)現(xiàn)原理，如圖所示(示意圖)：

內(nèi)存塊1 內(nèi)存塊2 內(nèi)存塊3 ……內(nèi)存塊n 內(nèi)存池

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第1項(xiàng) 第2項(xiàng) 第3項(xiàng) ……第n項(xiàng) 內(nèi)存管理表

<<-----分配方向

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malloc,free等函數(shù)

圖解：從上圖可以看出，分塊式內(nèi)存管理由內(nèi)存池和內(nèi)存管理表兩部分組成。內(nèi)存池被等分為n塊，對(duì)應(yīng)的內(nèi)存管理表，大小也為n，內(nèi)存管理表的每一個(gè)項(xiàng)對(duì)應(yīng)內(nèi)存池的一塊內(nèi)存。

內(nèi)存管理表的項(xiàng)值代表的意義為：當(dāng)該項(xiàng)值為0的時(shí)候，代表對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊未被占用，當(dāng)該項(xiàng)值非零的時(shí)候，代表該項(xiàng)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊已經(jīng)被占用，其數(shù)值則代表被連續(xù)占用的內(nèi)存塊數(shù)。比如某項(xiàng)值為10，那么說明包括本項(xiàng)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊在內(nèi)，總共分配了10個(gè)內(nèi)存塊給外部的某個(gè)指針。

內(nèi)寸分配方向如圖所示，是從頂à底的分配方向。即首先從最末端開始找空內(nèi)存。當(dāng)內(nèi)存管理剛初始化的時(shí)候，內(nèi)存表全部清零，表示沒有任何內(nèi)存塊被占用。

分配原理：

當(dāng)指針p調(diào)用malloc申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，先判斷p要分配的內(nèi)存塊數(shù)（m），然后從第n項(xiàng)開始，向下查找，直到找到m塊連續(xù)的空內(nèi)存塊（即對(duì)應(yīng)內(nèi)存管理表項(xiàng)為0），然后將這m個(gè)內(nèi)存管理表項(xiàng)的值都設(shè)置為m（標(biāo)記被用），最后，把最后的這個(gè)空內(nèi)存塊的地址返回指針p，完成一次分配。注意，如果當(dāng)內(nèi)存不夠的時(shí)候（找到最后也沒找到連續(xù)的m塊空閑內(nèi)存），則返回NULL（空指針）給p，表示分配失敗。

釋放原理：

當(dāng)p申請(qǐng)的內(nèi)存用完，需要釋放的時(shí)候，調(diào)用free函數(shù)實(shí)現(xiàn)。free函數(shù)先判斷p指向的內(nèi)存地址所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊，然后找到對(duì)應(yīng)的內(nèi)存管理表項(xiàng)目，得到p所占用的內(nèi)存塊數(shù)目m（內(nèi)存管理表項(xiàng)目的值就是所分配內(nèi)存塊的數(shù)目），將這m個(gè)內(nèi)存管理表項(xiàng)目的值都清零，標(biāo)記釋放，完成一次內(nèi)存釋放。

關(guān)于分塊式內(nèi)存管理的原理，我們就介紹到這里。

2， 硬件設(shè)計(jì)：

本章實(shí)驗(yàn)功能簡(jiǎn)介：開機(jī)后，顯示提示信息，等待外部輸入。KEY0用于申請(qǐng)內(nèi)存，每次申請(qǐng)2K字節(jié)內(nèi)存。KEY1用于寫數(shù)據(jù)到申請(qǐng)到的內(nèi)存里面。KEY2用于釋放內(nèi)存。WK_UP用于切換操作內(nèi)存區(qū)（內(nèi)部?jī)?nèi)存/外部?jī)?nèi)存）。DS0用于指示程序運(yùn)行狀態(tài)。本章我們還可以通過USMART調(diào)試，測(cè)試內(nèi)存管理函數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)用到的硬件資源有：

1） 指示燈DS0

2） 四個(gè)按鍵

3） 串口 //USMART

4） TFTLCD模塊

5） IS62WV51216

3， 軟件設(shè)計(jì)：

本章，我們將內(nèi)存管理部分單獨(dú)做一個(gè)分組，在工程目錄下新建一個(gè)MALLOC的文件夾，然后新建malloc.c和malloc.h兩個(gè)文件，將他們保存在MALLOC文件夾下。

在MDK新建一個(gè)MALLOC的組，然后將malloc.c文件加入到該組，并將MALLOC文件夾添加到頭文件包含路徑。

打開malloc.c文件，輸入如下代碼：由于本實(shí)驗(yàn)涉及到的c語言知識(shí)，尤其是指針知識(shí)較多，所以就邊用邊學(xué)

#include "malloc.h"

//內(nèi)存池(4字節(jié)對(duì)齊)

__align(4) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; //內(nèi)部SRAM內(nèi)存池

/*

" u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE];"該數(shù)組是定義拿出內(nèi)部?jī)?nèi)存池的40K的空間來做實(shí)驗(yàn)，為什么該數(shù)組是u8類型？計(jì)算機(jī)內(nèi)存是以字節(jié)為單位的存儲(chǔ)空間，內(nèi)存中的每個(gè)字節(jié)都有唯一的編號(hào)，這個(gè)編號(hào)就叫地址。在這里就是定義40K個(gè)元素，每個(gè)元素代表一個(gè)字節(jié)。整個(gè)數(shù)組就代表整個(gè)內(nèi)部SRAM內(nèi)存池的總?cè)萘考?0K個(gè)元字節(jié)的總空間容量。因?yàn)椴还苁谴鎯?chǔ)什么數(shù)據(jù)類型內(nèi)存中的地址編號(hào)都是32位的，即每個(gè)地址編號(hào)可以容納4個(gè)字節(jié)，而不同的數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)在不同的內(nèi)存存儲(chǔ)區(qū)，這就是為什么定義變量時(shí)一定要先聲明其數(shù)據(jù)類型的原因。存儲(chǔ)一個(gè)字符需要一個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)一個(gè)short類型需要2個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)一個(gè)int或float需要4個(gè)字節(jié)空間，就如同PLC內(nèi)存中的字節(jié)，字，雙字的定義規(guī)則一樣（如字節(jié)MB0，MB1，MB0和MB1構(gòu)成MW0;MW0和MW2構(gòu)成32位的雙字DW0，DW4，DW8）。“__align(4)”就是規(guī)定4個(gè)字節(jié)對(duì)齊，即每個(gè)32的地址編號(hào)存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)類型？比如，字符存儲(chǔ)區(qū)中地址編號(hào)MB0可以存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)即8個(gè)位的數(shù)據(jù)，而存儲(chǔ)MB0這個(gè)地址編號(hào)是以32位的空間來存儲(chǔ)，也就是說不管是什么類型數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)它的地址編號(hào)都是32的，所以指針值一定是32位的。

//“#define MEM1_MAX_SIZE 40*1024 //最大管理內(nèi)存 40K”,意思是mem1base[MEM1_MAX_SIZE]有40k個(gè)元素

*/

__align(4) u8 mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X68000000)));//外部SRAM內(nèi)存池

//#define MEM2_MAX_SIZE 200*1024 //最大管理內(nèi)存200K，意思是mem2base[MEM2_MAX_SIZE]數(shù)組有200K個(gè)u8類型元素，第一個(gè)元素的地址存儲(chǔ)在 //外部存儲(chǔ)器SRAM的0X68000000地址，

//內(nèi)存管理表

u16 mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE]; //內(nèi)部SRAM內(nèi)存池MAP

/*

//#define MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE //內(nèi)存表大小,MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE==1250

//#define MEM1_BLOCK_SIZE 32 //內(nèi)存塊大小為32字節(jié)；“MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE ”的含義是內(nèi)部SRAM內(nèi)存池總共40K字節(jié)的容量除以32個(gè)字節(jié)，得到一共40K/32==1250個(gè)內(nèi)存塊；也就是說將內(nèi)部SRAM內(nèi)存池劃為1250個(gè)內(nèi)存塊。

“u16 mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE];”實(shí)際上就等于“u16 mem1mapbase[1250];”意思是定義一個(gè)有1250個(gè)內(nèi)存塊（元素）的數(shù)組，每個(gè)元素是u16類型數(shù)據(jù)；數(shù)組名“mem1mapbase”就是mem1mapbase[0]（該數(shù)組的第一個(gè)元素它代表1250個(gè)內(nèi)存塊中的第一個(gè)內(nèi)存塊）的地址，也可以說是指針常量；結(jié)合與之關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)體成員“u16 *memmap[2]={ mem1mapbase,mem2mapbase}”指針類型數(shù)組；在這里“mem2mapbase”是外部?jī)?nèi)存的第一個(gè)內(nèi)存塊的地址，是個(gè)指針常量用以存放u16類型數(shù)據(jù)的地址值；結(jié)合

“mymemset(mallco_dev.memmap[0], 0,memtblsize[0]*2);”函數(shù)分析：結(jié)合本程序和結(jié)構(gòu)體有關(guān)定義“u16 *memmap[2]; ”，首元素memmap[0]=mem1mapbase；也就是說“mallco_dev.memmap[0]”在這里表示1250個(gè)內(nèi)部?jī)?nèi)存塊中第一個(gè)內(nèi)存塊的地址，根據(jù)“u16 *memmap[2]={ mem1mapbase,mem2mapbase}”推斷出“mallco_dev.memmap[0]”是u16類型指針；

“memtblsize[0]”是什么意思呢？根據(jù)“const u32 memtblsize[2]={1250,6250};”可以得知memtblsize[0]==1250即內(nèi)部?jī)?nèi)存一共有1250個(gè)管理項(xiàng)，

void mymemset(void *s,u8 c,u32 count)

{

u8 *xs = s;

while(count--)*xs++=c;

} //把u8類型數(shù)據(jù)c填充到以指針變量s為首地址的內(nèi)存空間中，填充多少個(gè)數(shù)由count值決定

該函數(shù)的意思是把u8類型的數(shù)據(jù)“c”填充到u16類型指針元素memmap[0]中（根據(jù)結(jié)構(gòu)體定義“u16 *memmap[2]; ”，而memmap[0]=mem1mapbase），說白了就是把u8類型的數(shù)據(jù)“c”填充到1250個(gè)內(nèi)存塊中的count個(gè)內(nèi)存塊中。

而mallco_dev.memmap[memx]是16位的，為了將其全部清零，所以乘以2.

本例中，用到了指針類型數(shù)組“u16 *memmap[2]={ mem1mapbase,mem2mapbase}”，為什么要定義指針類型數(shù)組呢？mem1mapbase是數(shù)組

“u16 mem1mapbase[1250];”的首個(gè)元素地址（即*mem1mapbase等價(jià)于mem1mapbase[0]），而mem1mapbase[0]就代表內(nèi)部存儲(chǔ)器1250個(gè)存儲(chǔ)塊中的第一個(gè)存儲(chǔ)塊；根據(jù)結(jié)構(gòu)體賦值定義可知：memmap[0]=mem1mapbase。所以mem1mapbase就是“mallco_dev.memmap[0]”，即mem1mapbase是函數(shù)mymemset(mallco_dev.memmap[memx], 0,memtblsize[memx]*2)的第一個(gè)形參，因?yàn)?mem1mapbase等價(jià)于mem1mapbase[0]），而mem1mapbase[0]就代表內(nèi)部存儲(chǔ)器1250個(gè)存儲(chǔ)塊中的第一個(gè)存儲(chǔ)塊。結(jié)合

void mymemset(void *s,u8 c,u32 count)函數(shù)分析， mymemset(mallco_dev.memmap[memx], 0,memtblsize[memx]*2)函數(shù)的意思是：把0寫入到1250個(gè)存儲(chǔ)塊中的第一個(gè)存儲(chǔ)塊中；這樣就將一個(gè)存儲(chǔ)塊的值賦值為0了。

推斷出“mallco_dev.memmap[0]”是u16類型指針；

；

*/

u16 mem2mapbase[MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(0X68000000+MEM2_MAX_SIZE)));

/*

“#define MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE MEM2_MAX_SIZE/MEM2_BLOCK_SIZE”

“#define MEM2_BLOCK_SIZE 32”

外部SRAM內(nèi)存池MAP,同理，“MEM2_MAX_SIZE/MEM2_BLOCK_SIZE”的含義是外部SRAM內(nèi)存池總共200K字節(jié)的容量除以32個(gè)字節(jié)，得到一共200K/32==6250個(gè)內(nèi)存塊；也就是說將外部SRAM內(nèi)存池劃為6250個(gè)內(nèi)存塊。

*/

//內(nèi)存管理參數(shù)

/*

內(nèi)存管理表“MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE,MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE”分別是1250和6250個(gè)“項(xiàng)”.

每個(gè)內(nèi)存分塊大小即內(nèi)部和外部SRAM每個(gè)內(nèi)存塊占有32個(gè)字節(jié)空間“MEM1_BLOCK_SIZE,MEM2_BLOCK_SIZE”分別是32個(gè)字節(jié)；

內(nèi)存總大小“MEM1_MAX_SIZE,MEM2_MAX_SIZE”，分別是40K和200K個(gè)字節(jié)的總?cè)萘靠臻g

mymemset(mallco_dev.memmap[memx], 0,memtblsize[memx]*2);

*/

const u32 memtblsize[2]={MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE,MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE};//內(nèi)存管理表大小

const u32 memblksize[2]={MEM1_BLOCK_SIZE,MEM2_BLOCK_SIZE}; //內(nèi)存分塊大小

const u32 memsize[2]={MEM1_MAX_SIZE,MEM2_MAX_SIZE}; //內(nèi)存總大小

/*

struct _m_mallco_dev //內(nèi)存管理控制器,定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型數(shù)據(jù)，或結(jié)構(gòu)體變量，

{

void (*init)(u8); //初始化

u8 (*perused)(u8); //內(nèi)存使用率

u8 *membase[2]; //內(nèi)存池 管理2個(gè)區(qū)域的內(nèi)存 mem1base,mem2base內(nèi)存池

u16 *memmap[2]; //內(nèi)存管理狀態(tài)表 mem1mapbase(==1250塊),mem2mapbase(6250), //內(nèi)存管理狀態(tài)表

u8 memrdy[2]; //內(nèi)存管理是否就緒

};

1，結(jié)構(gòu)體成員“void (*init)(u8);”是定義了一個(gè)指向函數(shù)的指針變量，該指針變量名是init；void表示該函數(shù)沒有返回值（函數(shù)的數(shù)據(jù)類型由返回值決定）；u8是函數(shù)的形參。指向函數(shù)的指針變量格式：數(shù)據(jù)類型 + （*變量名）（形參）

本例中：

void mem_init(u8 memx)

{

mymemset(mallco_dev.memmap[memx], 0,memtblsize[memx]*2);//內(nèi)存狀態(tài)表數(shù)據(jù)清零 memx:所屬內(nèi)存塊,即幾號(hào)內(nèi)存塊

mymemset(mallco_dev.membase[memx], 0,memsize[memx]); //內(nèi)存池所有數(shù)據(jù)清零

mallco_dev.memrdy[memx]=1;//內(nèi)存管理初始化OK

}

也就是說，本例中用指向函數(shù)的指針變量來表示函數(shù)。c語言規(guī)定函數(shù)名就是函數(shù)的入口地址，也就是說函數(shù)名也是一個(gè)指針，指向函數(shù)的入口，根據(jù)這個(gè)原理，可以將指向函數(shù)的指針作為函數(shù)的參數(shù)調(diào)用，可以在不同的情況調(diào)用不同的函數(shù)；如果一個(gè)指向函數(shù)的指針變量等于函數(shù)名就可以說該指向函數(shù)的指針變量指向了該函數(shù)，那么指針變量與函數(shù)就是一樣的了。比如：“mem_init(memx);”就等同于“mallco_dev.init（memx）；”

2，指針類型數(shù)組“u8 *membase[2];”，意思是該指針類型數(shù)組有兩個(gè)“char *”類型的指針元素或者說有兩個(gè)“u8 *”類型指針元素；為什么要定義“u8 *”類型呢？因?yàn)閮?nèi)存存儲(chǔ)區(qū)是根據(jù)數(shù)據(jù)類型來劃分的，如果不明確聲明類型就亂套了。

在C語言和C++語言中，數(shù)組元素全為指針的數(shù)組稱為指針數(shù)組。一維指針數(shù)組的定義形式為：“類型名 *數(shù)組標(biāo)識(shí)符[數(shù)組長(zhǎng)度]”。

例如，一個(gè)一維指針數(shù)組的定義：int *ptr_array[10]。該指針數(shù)組有10個(gè)元素，每個(gè)元素都是int類型的指針即“int *”類型；

指針類型數(shù)組“u8 *membase[2];”的賦值是mem1base,mem2base, “mem1base,mem2base”分別是內(nèi)部?jī)?nèi)存池和外部?jī)?nèi)存池的數(shù)組名，是指針常量即首元素的地址；因?yàn)槭孪纫呀?jīng)定義“u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE]”即“u8 mem1base[40K];”。

*/

//內(nèi)存管理控制器，結(jié)構(gòu)體變量賦值，即初始化

struct _m_mallco_dev mallco_dev=

{

mem_init, //內(nèi)存初始化，將函數(shù)名“mem_init”賦給結(jié)構(gòu)體成員“void (*init)(u8);”即指向函數(shù)的指針變量，

mem_perused, //內(nèi)存使用率

mem1base,mem2base, //內(nèi)存池

mem1mapbase,mem2mapbase, //內(nèi)存管理狀態(tài)表，mem1mapbase（1250項(xiàng)）,mem2mapbase（6250項(xiàng)）

0,0, //內(nèi)存管理未就緒

};

/*

1，“void *des”無類型指針，不能指向具體的數(shù)據(jù)，“void *des”無類型指針指向內(nèi)存中的數(shù)據(jù)類型由用戶自己確定,如malloc()函數(shù)的返回值就是“void *des”無類型指針，因?yàn)閙alloc()函數(shù)的返回值是不確定的是根據(jù)形參的數(shù)據(jù)類型確定的

2，“void mymemcpy(void *des,void *src,u32 n) ”函數(shù)的理解：

des是指針，但是不確定指向什么類型的數(shù)據(jù)，換句話說des指針存儲(chǔ)的什么類型數(shù)據(jù)不確定，“u8 *xdes=des;”將des指針存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)

存儲(chǔ)到一個(gè)新的“u8 *”類型指針xdes中；“u8 *xsrc=src;”同理。

“*xdes++=*xsrc++; ”，當(dāng)*xsrc++（自增）時(shí)，即指針“src”指針自增，也就是說把“src”指針逐位復(fù)制到des目標(biāo)指針去了。復(fù)制個(gè)數(shù)就是n。

3，“*P”的意義：a），“*P”就是以指針變量P的內(nèi)容（P的內(nèi)容就是指針變量P里存儲(chǔ)的某一類型數(shù)據(jù)的指針值）為地址的變量；b），指針運(yùn)算符“*”如果是在定義變量時(shí)候加在前面，意思是這個(gè)變量是指針變量,如 char *a;如果是在訪問指針變量的時(shí)候加在前面（如*a），意思是取指針變量指向的值，如 char b=*a; 上面定義了a是一個(gè)字符指針，這里就是把指針變量a指向的值取出來并賦給b。