嵌入式操作系統內存管理技術(shù)的分析與比較

1 概 述
內存管理是操作系統的中心任務(wù)之一。內存管理模塊通常是操作系統內核的一部分，其主要任務(wù)是為操作系統內核和各執行程序組織內存，跟蹤當前內存使用狀況，在需要時(shí)為進(jìn)程分配內存，使用完畢后釋放并回收內存。智能手機操作系統作為嵌入式操作系統的一種，較之普通桌面型操作系統，其內存管理有著(zhù)獨特之處：受硬件成本、設備體積等因素制約，內存容量一般相當有限，需要高效地使用；電源管理尤為重要，一次充電要保證數小時(shí)以上的工作時(shí)間；手持設備內程序一般幾天甚至幾個(gè)月不停運行，系統穩定性要求高，需保證用戶(hù)數據的安全。此外，與傳統的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統相比，如Vx-Works，μClinux等，智能手機嵌入式操作系統還是一個(gè)開(kāi)放性的操作系統，這意味著(zhù)幾乎所有的智能手機嵌入式操作系統都允許用戶(hù)安裝第三方程序。因此，在操作系統設計時(shí)還要綜合考慮編程的易用性及接口的模塊化，以適應終端用戶(hù)、制造商、操作系統軟件開(kāi)發(fā)者和第三方軟件開(kāi)發(fā)者的不同需求。
1．1 Symbian操作系統
Symbian操作系統是智能手機市場(chǎng)中的主要成員，其市場(chǎng)份額超過(guò)70％。該操作系統由英國Symbian公司負責研發(fā)和維護，目前該公司由Nokia、SonyErisson、Panaso-nic、Samsung等公司共同所有。Symbian操作系統的前身是EPOC，這是一個(gè)多任務(wù)的32位軟實(shí)時(shí)操作系統。Symbian在設計之初就是專(zhuān)門(mén)針對高度內存受限的系統的，因此其在內存使用和電源管理上具有很多優(yōu)勢。Symbian操作系統具有完善的軟件開(kāi)發(fā)包，供第三方應用程序開(kāi)發(fā)使用。目前最新版本的Symbian操作系統為Symbian OS 9．5。
1．2 WindOWS Mobile操作系統
Windows Mobile是微軟為手持設備推出的“移動(dòng)版Windows”。使用Windows Mobile操作系統的設備主要有手機、PDA、隨身音樂(lè )播放器等。該操作系統是基于Windows CE內核的一種嵌入式操作系統。由于與桌面Windows操作系統的兼容性，第三方開(kāi)發(fā)者可以很方便地為Windows CE開(kāi)發(fā)程序，但與桌面Windows開(kāi)發(fā)仍存在較大區別。目前常用版本為Windows Mobile 6．1，最新版本6．5，均基于Windows CE 5．2內核。為表述一致，下文中將Windows Mobile簡(jiǎn)稱(chēng)為WinCE。

2 內存管理技術(shù)分析與比較
2．1 整體架構
Symbian操作系統誕生之初，是針對掌上型資源高度受限設備開(kāi)發(fā)的。為了追求極致的性能和最小的資源消耗，它從操作系統內核到編程框架都進(jìn)行了嚴格的優(yōu)化，甚至對C++的不少基本機制也進(jìn)行了大刀闊斧的革新。因此軟件開(kāi)發(fā)者和廠(chǎng)商需要掌握新的Symlbian C++語(yǔ)法及新的編程接口。Symbian操作系統兼容性較差，一般只支持ARM系列處理器。
WinCE系統在設計之初就充分考慮到對桌面操作系統組件和編程接口的兼容性，這樣給程序開(kāi)發(fā)者帶來(lái)很大益處，并且方便廠(chǎng)商進(jìn)行設備升級及驅動(dòng)維護。WinCE支持多種CPU，如ARM、MIPS、SH4、x86等。因此其在內存管理模塊設計上的兼容性和接口的規范性更好。Symbian相對于WinCE的優(yōu)勢在于其針對指定處理器設計的內存管理模塊更加高效，但是這也以犧牲兼容性為代價(jià)。出于對電源管理的考慮，Symbian系統的設備CPU頻率普遍較WinCE要低，一般為100～300 MHz(WinCE是300～800 MHz)。
2．2 ROM與RAM
(1)RAM
RAM全稱(chēng)為隨機存取存儲器，通常作為操作系統或其他正在運行的程序的臨時(shí)存儲介質(zhì)，速度較快，但是當電源關(guān)閉時(shí)存儲的數據會(huì )丟失。
WinCE中RAM被分成兩塊區域，對象存儲和程序區(系統堆)。對象存儲可以被看作類(lèi)似一個(gè)永久的虛擬RAM磁盤(pán)。在Pocket PC上，當顯示屏關(guān)閉后，系統并沒(méi)有真正斷電，而是進(jìn)入低功耗的睡眠狀態(tài)(由主電池來(lái)供電)。當按下Reset按鈕后，Windows CE內核在RAM中尋找最近一次創(chuàng )建的對象存儲，如果找到，就用這個(gè)對象存儲重新啟動(dòng)。
RAM的另一個(gè)區域是程序區。這個(gè)區域就像PC機的RAM一樣。它存放所運行程序的堆和棧的空間。對象存儲和程序區的界限是可移動(dòng)的。在低內存的情況下，系統會(huì )請求用戶(hù)把部分可用的存儲對象空間提供給運行程序使用，以滿(mǎn)足程序運行時(shí)對RAM的需要。在Symbian操作系統中，RAM不存在類(lèi)似于對象存儲的區域，其RAM全部用于運行程序的臨時(shí)執行和數據存儲器。因此一般Symbian操作系統上RAM大小為7～30 MB，小于winCE中的32～128 MB。
(2)ROM
ROM是只讀存儲器。在PC機上，ROM用來(lái)存儲BIOS，通常是64～128 KB。在WinCE系統中，ROM用來(lái)存儲整個(gè)操作系統以及和OS綁定的應用程序。Symbian系統中ROM功能類(lèi)似，也是用來(lái)存儲系統驅動(dòng)程序及系統DLL和配置文件。對ROM進(jìn)行寫(xiě)入需要指定的設備，普通用戶(hù)無(wú)法對ROM中的數據進(jìn)行操作。由于ROM中的代碼都是經(jīng)過(guò)特殊編譯，去除了重定位代碼段，因此可以在ROM上直接執行(excute in place)，不用加載到RAM中，從而提高了啟動(dòng)速度并節省了RAM資源。
2．3 MMU
作為現代操作系統的一種，智能手機操作系統具有強大而高效的MMU，在這一點(diǎn)不同于其他實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，如μC／OS-II和μClinux。通過(guò)MMU提供的內存映射和數據保護，可以提高操作系統的運行效率和安全性。MMU運行于CPU和系統總線(xiàn)之間，負責在虛擬地址和物理地址之間進(jìn)行轉換，在任一次內存訪(fǎng)問(wèn)中都會(huì )進(jìn)行MMU的地址查找。
(1)虛擬內存
Windows CE是32位操作系統，支持4 GB的虛擬地址空間。高2 GB是系統內存空間，用來(lái)存儲相應的系統數據。低2 GB是用戶(hù)空間。所有的應用程序均有2GB的虛擬地址，但是每個(gè)應用程序的內存空間都是受保護的，其他應用程序不能訪(fǎng)問(wèn)。從最低的虛擬地址空間開(kāi)始，分為33個(gè)slot，每個(gè)slot為32 MB。每個(gè)slot被分配為當前運行的進(jìn)程。slot 0中存放當前激活的進(jìn)程。當WinCE在進(jìn)程間切換時(shí)，它就重新映射地址空間，把原進(jìn)程移出，新進(jìn)程移進(jìn)slot 0。這個(gè)任務(wù)是通過(guò)操作微處理器的頁(yè)轉換表來(lái)迅速完成的。
WinCE定義了4種內存狀態(tài)：normal、limited、low、critical。這些狀態(tài)的劃分主要取決于當前可用的內存大小。在WinCE中，當出現內存不足的情況時(shí)，線(xiàn)程首先被掛起。這時(shí)系統如果沒(méi)有可用的物理RAM，需要?？臻g的線(xiàn)程就會(huì )被掛起。系統首先發(fā)送WM_HIBERNATE消息，該消息會(huì )向所有的進(jìn)程請求。它們在不破壞各自?xún)仍跔顟B(tài)的情況下盡量釋放內存，比如釋放GDI對象、緩沖數據等，然后限制內存申請的請求。如果在給定的一小段時(shí)間內，這個(gè)內存需求不能得到響應，就會(huì )彈出系統異常。在低內存情況下不應該嘗試使用大量的?？臻g。而在Symbian操作系統中，系統能運行的程序數量是由實(shí)際內存大小決定的，而不限于32個(gè)。當內存不足時(shí)，運行新程序將會(huì )收到內存不足的警告，并終止進(jìn)程。