內(nèi)存分配策略 - 基于FreeRTOS的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)

2.3內(nèi)存分配策略

每當(dāng)任務(wù)、隊(duì)列和信號(hào)量創(chuàng)建的時(shí)候，F(xiàn)reeRTOS要求分配一定的RAM。雖然采用malloc()和free()函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)和釋放內(nèi)存的功能，但這兩個(gè)函數(shù)存在以下缺點(diǎn)：并不是在所有的嵌入式系統(tǒng)中都可用，要占用不定的程序空間，可重人性欠缺以及執(zhí)行時(shí)間具有不可確定性。為此，除了可采用malloc()和free()函數(shù)外，F(xiàn)reeRTOS還提供了另外兩種內(nèi)存分配的策略，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的內(nèi)存分配策略。

第1種方法是，按照需求內(nèi)存的大小簡(jiǎn)單地把一大塊內(nèi)存分割為若干小塊，每個(gè)小塊的大小對(duì)應(yīng)于所需求內(nèi)存的大小。這樣做的好處是比較簡(jiǎn)單，執(zhí)行時(shí)間可嚴(yán)格確定，適用于任務(wù)和隊(duì)列全部創(chuàng)建完畢后再進(jìn)行內(nèi)核調(diào)度的系統(tǒng)；這樣做的缺點(diǎn)是，由于內(nèi)存不能有效釋放，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)用程序并不能實(shí)現(xiàn)刪除任務(wù)或隊(duì)列。

第2種方法是，采用鏈表分配內(nèi)存，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建、刪除任務(wù)或隊(duì)列。系統(tǒng)根據(jù)空閑內(nèi)存塊的大小按從小到大的順序組織空閑內(nèi)存鏈表。當(dāng)應(yīng)用程序申請(qǐng)一塊內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)申請(qǐng)內(nèi)存的大小按順序搜索空閑內(nèi)存鏈表，找到滿足申請(qǐng)內(nèi)存要求的最小空閑內(nèi)存塊。為了提高內(nèi)存的使用效率，在空閑內(nèi)存塊比申請(qǐng)內(nèi)存大的情況下，系統(tǒng)會(huì)把此空閑內(nèi)存塊一分為二。一塊用于滿足申請(qǐng)內(nèi)存的要求，一塊作為新的空閑內(nèi)存塊插入到鏈表中。

2.4 時(shí)間管理的實(shí)現(xiàn)

FreeRTOS提供的典型時(shí)間管理函數(shù)是vTaskDelay()，調(diào)用此函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)將任務(wù)延時(shí)一段特定時(shí)間的功能。在FreeRT0S中，若一個(gè)任務(wù)要延時(shí)xTicksToDelay個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)把當(dāng)前系統(tǒng)已運(yùn)行的時(shí)鐘節(jié)拍總數(shù)(定義為xTickCount，32位長(zhǎng)度)加上xTicksToDelay得到任務(wù)下次喚醒時(shí)的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)xTimeToWake。然后，內(nèi)核把此任務(wù)的任務(wù)控制塊從就緒鏈表中刪除，把xTimeToWake作為結(jié)點(diǎn)值賦予任務(wù)的xItemValue，再根據(jù)xTimeToWake的值把任務(wù)控制塊按照順序插入不同的鏈表。若xTimeToWake > xTickCount，即計(jì)算中沒(méi)有出現(xiàn)溢出，內(nèi)核把任務(wù)控制塊插入到pxDelayedTaskList鏈表；若xTimeToWak e< xTickCount，即在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)溢出，內(nèi)核把任務(wù)控制塊插入到pxOverflowDelayed-Taskust鏈表。

每發(fā)生一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，內(nèi)核就會(huì)把當(dāng)前的xTick-Count加1。若xTickCount的結(jié)果為0，即發(fā)生溢出，內(nèi)核會(huì)把pxOverflowDelayedTaskList作為當(dāng)前鏈表；否則，內(nèi)核把pxDelaycdTaskList作為當(dāng)前鏈表。內(nèi)核依次比較xTickCotlrtt和鏈表各個(gè)結(jié)點(diǎn)的xTimcToWake。若xTick-Count等于或大于xTimeToWake，說(shuō)明延時(shí)時(shí)間已到，應(yīng)該把任務(wù)從等待鏈表中刪除，加入就緒鏈表。

由此可見，不同于μC／OS—II，F(xiàn)reeRTOS采用“加”的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間管理。其優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間節(jié)拍函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間與任務(wù)數(shù)量基本無(wú)關(guān)，而μC／OS—II的OSTimcTick()的執(zhí)行時(shí)間正比于應(yīng)用程序中建立的任務(wù)數(shù)。因此當(dāng)任務(wù)較多時(shí)，F(xiàn)reeRTOS采用的時(shí)間管理方式能有效加快時(shí)鐘節(jié)拍中斷程序的執(zhí)行速度。

2.4 內(nèi)存分配策略

每當(dāng)任務(wù)、隊(duì)列和信號(hào)量創(chuàng)建的時(shí)候，F(xiàn)reeRTOS要求分配一定的RAM。雖然采用malloc()和free()函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)和釋放內(nèi)存的功能，但這兩個(gè)函數(shù)存在以下缺點(diǎn)：并不是在所有的嵌入式系統(tǒng)中都可用，要占用不定的程序空間，可重人性欠缺以及執(zhí)行時(shí)間具有不可確定性。為此，除了可采用malloc()和free()函數(shù)外，F(xiàn)reeRTOS還提供了另外兩種內(nèi)存分配的策略，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的內(nèi)存分配策略。

第1種方法是，按照需求內(nèi)存的大小簡(jiǎn)單地把一大塊內(nèi)存分割為若干小塊，每個(gè)小塊的大小對(duì)應(yīng)于所需求內(nèi)存的大小。這樣做的好處是比較簡(jiǎn)單，執(zhí)行時(shí)間可嚴(yán)格確定，適用于任務(wù)和隊(duì)列全部創(chuàng)建完畢后再進(jìn)行內(nèi)核調(diào)度的系統(tǒng)；這樣做的缺點(diǎn)是，由于內(nèi)存不能有效釋放，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)用程序并不能實(shí)現(xiàn)刪除任務(wù)或隊(duì)列。

第2種方法是，采用鏈表分配內(nèi)存，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建、刪除任務(wù)或隊(duì)列。系統(tǒng)根據(jù)空閑內(nèi)存塊的大小按從小到大的順序組織空閑內(nèi)存鏈表。當(dāng)應(yīng)用程序申請(qǐng)一塊內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)申請(qǐng)內(nèi)存的大小按順序搜索空閑內(nèi)存鏈表，找到滿足申請(qǐng)內(nèi)存要求的最小空閑內(nèi)存塊。為了提高內(nèi)存的使用效率，在空閑內(nèi)存塊比申請(qǐng)內(nèi)存大的情況下，系統(tǒng)會(huì)把此空閑內(nèi)存塊一分為二。一塊用于滿足申請(qǐng)內(nèi)存的要求，一塊作為新的空閑內(nèi)存塊插入到鏈表中。

下面以圖2為例介紹方法2的實(shí)現(xiàn)。假定用于動(dòng)態(tài)分配的RAM共有8KB，系統(tǒng)首先初始化空閑內(nèi)存塊鏈表，把8KB RAM全部作為一個(gè)空閑內(nèi)存塊。當(dāng)應(yīng)用程序分別申請(qǐng)1KB和2KB內(nèi)存后，空閑內(nèi)存塊的大小變?yōu)?KB3。2KB的內(nèi)存使用完畢后，系統(tǒng)需要把2KB插入到現(xiàn)有的空閑內(nèi)存塊鏈表。由于2 KB<5KB，所以把這2 KB插入5KB的內(nèi)存塊之前。若應(yīng)用程序又需要申請(qǐng)3 KB的內(nèi)存，而在空閑內(nèi)存塊鏈表中能滿足申請(qǐng)內(nèi)存要求的最小空閑內(nèi)存塊為5KB，因此把5KB內(nèi)存拆分為2部分，3KB部分用于滿足申請(qǐng)內(nèi)存的需要，2KB部分作為新的空閑內(nèi)存塊插入鏈表。隨后1KB的內(nèi)存使用完畢需要釋放，系統(tǒng)會(huì)按順序把1KB內(nèi)存插入到空閑內(nèi)存鏈表中。

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圖2 采用空閑內(nèi)存塊鏈表進(jìn)行內(nèi)存管理

方法2的優(yōu)點(diǎn)是，能根據(jù)任務(wù)需要高效率地使用內(nèi)存，尤其是當(dāng)不同的任務(wù)需要不同大小的內(nèi)存的時(shí)候。方法二的缺點(diǎn)是，不能把應(yīng)用程序釋放的內(nèi)存和原有的空閑內(nèi)存混合為一體，因此，若應(yīng)用程序頻繁申請(qǐng)與釋放“隨機(jī)”大小的內(nèi)存，就可能造成大量的內(nèi)存碎片。這就要求應(yīng)用程序申請(qǐng)與釋放內(nèi)存的大小為“有限個(gè)”固定的值(如圖2中申請(qǐng)與釋放內(nèi)存的大小固定為l KB、2 KB或3 KB)。方法2的另一個(gè)缺點(diǎn)是，程序執(zhí)行時(shí)間具有一定的不確定性。

μC／OS—II提供的內(nèi)存管理機(jī)制是把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來(lái)管理，每個(gè)分區(qū)中包含整數(shù)個(gè)大小相同的內(nèi)存塊。由于每個(gè)分區(qū)的大小相同，即使頻繁地申請(qǐng)和釋放內(nèi)存也不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片問(wèn)題，但其缺點(diǎn)是內(nèi)存的利用率相對(duì)不高。當(dāng)申請(qǐng)和釋放的內(nèi)存大小均為一個(gè)固定值時(shí)(如均為2 KB)，F(xiàn)reeRTOS的方法2內(nèi)存分配策略就可以實(shí)現(xiàn)類似μC／OS—Ⅱ的內(nèi)存管理效果。

2.5 FreeRTOS的移植

FreeRTOS操作系統(tǒng)可以被方便地移植到不同處理器上工作，現(xiàn)已提供了ARM、MSP430、AVR、PIC、C8051F等多款處理器的移植。FrceRTOS在不同處理器上的移植類似于μC／0S一II，故本文不再詳述FreeRTOS的移植。此外，TCP／IP協(xié)議棧μIP已被移植到FreeRTOS上，具體代碼可見FreeRTOS網(wǎng)站。

2.6 FreeRTOS的不足

相對(duì)于常見的μC／OS—II操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)既有優(yōu)點(diǎn)也存在不足。其不足之處，一方面體現(xiàn)在系統(tǒng)的服務(wù)功能上，如FreeRTOS只提供了消息隊(duì)列和信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)，無(wú)法以后進(jìn)先出的順序向消息隊(duì)列發(fā)送消息；另一方面，F(xiàn)reeRTOS只是一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，需外擴(kuò)第三方的GUI(圖形用戶界面)、TCP／IP協(xié)議棧、FS(文件系統(tǒng))等才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)較復(fù)雜的系統(tǒng)，不像μC／OS-II可以和μC／GUI、μC／FS、μC／TCP-IP等無(wú)縫結(jié)合。

3、結(jié) 論

作為一個(gè)源碼公開的操作系統(tǒng)，學(xué)習(xí)FreeRTOS可以更好地掌握嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理；作為一個(gè)免費(fèi)的操作系統(tǒng)，采用FreeRTOS可在基本滿足較小系統(tǒng)需要的情況下降低系統(tǒng)成本、簡(jiǎn)化開發(fā)難度。在實(shí)踐中，采用FreeRTOS操作系統(tǒng)和MSP430單片機(jī)構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了較好的控制效果。相信隨著時(shí)間的發(fā)展，F(xiàn)reeRTOS會(huì)不斷完善其功能，以更好地滿足人們對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性、易用性的要求。