μC/OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統內存管理的改進(jìn)

μC/OS-Ⅱ是一種開(kāi)放源碼的實(shí)時(shí)操作系統，具有搶先式、多任務(wù)的特點(diǎn)，已被應用到眾多的微處理器上。雖然該內核功能較多，但還是有不甚完善的地方。筆者在分析使用中發(fā)現，內核在任務(wù)管理(包括任務(wù)調度、任務(wù)間的通信與同步)和中斷管理上是比較完善的，具有可以接受的穩定性和可靠性;但在內存管理上顯得過(guò)于簡(jiǎn)單，內存分區的建立方式有不合理之處。

1 內存管理不足之處的分析

　　在分析許多μC/OS-Ⅱ的應用實(shí)例中發(fā)現，任務(wù)?？臻g和內存分區的創(chuàng )建采用了定義全局數組的方法，即定義一維或二維的全局數組，在創(chuàng )建任務(wù)或內存分區時(shí)，將數組名作為內存地址指針傳遞給生成函數。這樣實(shí)現起來(lái)固然簡(jiǎn)單，但是不夠靈活有效。

　　編譯器會(huì )將全局數組作為未初始化的全局變量，放到應用程序映像的數據段。數組大小是固定的，生成映像后不可能在使用中動(dòng)態(tài)地改變。對于任務(wù)?？臻g來(lái)說(shuō)，數組定義大了會(huì )造成內存浪費;定義小了任務(wù)棧溢出，會(huì )造成系統崩潰。對于內存分區，在不知道系統初始化后給用戶(hù)留下了多少自由內存空間的情況下，很難定義內存分區所用數組的大小?？傊萌謹到M來(lái)分配內存空間是很不合理的。

　　另外，現在的μC/OS-Ⅱ只支持固定大小的內存分區，容易造成內存浪費。μC/OS-Ⅱ將來(lái)應該被改進(jìn)以支持可變大小的內存分區。為了實(shí)現這一功能，系統初始化后能清楚地掌握自由內存空間的情況是很重要的。

2 解決問(wèn)題的方法

　　為了能清楚掌握自由內存空間的情況，避免使用全局數組分配內存空間，關(guān)鍵是要知道整個(gè)應用程序在編譯、鏈接后代碼段和數據段的大小，在目標板內存中是如何定位的，以及目標板內存大小。對于最后一條，系統編程人員當然是清楚的，第一條編譯器會(huì )給出，而如何定位是由編程人員根據具體應用環(huán)境在系統初始化確定的。因此，系統初始化時(shí)，如果能正確安排代碼段和數據段的位置，就能清楚地知道用戶(hù)可以自由使用的內存空間起始地址。用目標板內存最高端地址減去起始地址，就是這一自由空間的大小。

3 舉例描述該方法的實(shí)現

　　下面以在CirrusLogic公司的EP7211微處理器上使用μC/OS-Ⅱ為例，描述該方法的實(shí)現過(guò)程。假設基于μC/OS-Ⅱ的應用程序比較簡(jiǎn)單，以簡(jiǎn)化問(wèn)題的闡述。

3.1 芯片初始化過(guò)程和鏈接器的功能

　　EP7211采用了RISC體系結構的微處理器核ARM7TDMI，該芯片支持內存管理單元MMU。系統加電復位后，從零地址開(kāi)始執行由匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的初始化代碼。零地址存放著(zhù)中斷向量表，第一個(gè)是復位中斷，通過(guò)該中斷向量指向的地址可以跳轉到系統初始化部分，執行微處理器寄存器初始化。如果使用虛擬內存，則啟動(dòng)MMU，然后是為C代碼執行而進(jìn)行的C環(huán)境初始化。之后創(chuàng )建中斷處理程序使用的?？臻g，最后跳轉到C程序的入口執行系統C程序。

　　對于應用程序，ARM軟件開(kāi)發(fā)包提供的ARM鏈接器會(huì )產(chǎn)生只讀段(read-only section RO)、讀寫(xiě)段(read-write section RW)和零初始化段(zero-initialized section ZI)。每種段可以有多個(gè)，對較簡(jiǎn)單的程序一般各有一個(gè)。

　　只讀段就是代碼段，讀寫(xiě)段是已經(jīng)初始化的全局變量，而零初始化段中存放未初始化的全局變量。鏈接器同時(shí)提供這三種段的起始地址和結束地址，并用已定義的符號表示。描述如下:Image＄＄RO＄＄Base表示只讀段的起始地址，Image＄＄RO＄＄Limit表示只讀段結束后的首地址;Image＄＄RW＄＄Base 表示讀寫(xiě)段的起始地址，Image＄＄RW＄＄Limit表示讀寫(xiě)段結束后的首地址;Image＄＄ZI＄＄Base 表示零初始化段的起始地址，Image＄＄ZI＄＄Limit表示零初始化段結束后的首地址。

　　一般嵌入式應用，程序鏈接定位后生成bin文件，即絕對地址空間的代碼，因此上述符號的值表示物理地址。對于簡(jiǎn)單程序，可在編譯鏈接時(shí)指定RO和RW的基地址，幫助鏈接器計算上述符號的值。對于較復雜的程序可以由scatter描述文件來(lái)定義RO和RW的基地址。

3.2 具體實(shí)例及說(shuō)明

　　所謂C環(huán)境初始化，就是利用上述符號初始化RW段和ZI段，以使后面使用全局變量的C程序正常運行。下面是初始化部分的實(shí)例:

ENTRY ;應用程序入口，應該位于內存的零地址。

;中斷向量表

B Reset_Handler

B Undefined_Handler

B SWI_Handler

B Prefetch_Handler

B Abort_Handler

NOP ;保留向量

B IRQ_Handler

B FIQ_Handler

;當用戶(hù)使用除復位中斷以外的幾個(gè)中斷時(shí)，應將跳轉地址換成中斷處理程序的入口地址。

Undefined_Handler

B Undefined_Handler

SWI_Handler

B SWI_Handler

Prefetch_Handler

B Prefetch_Handler

Abort_Handler

B Abort_Handler

IRQ_Handler

B IRQ_Handler

FIQ_Handler

B FIQ_Handler

;程序初始化部分

Reset_Handler

;初始化微處理器寄存器，以使其正常工作。

……

;啟動(dòng)MMU，進(jìn)入虛擬內存管理。

……

;初始化C環(huán)境。

IMPORT |Image＄＄RO＄＄Limit|

IMPORT |Image＄＄RW＄＄Base|

IMPORT |Image＄＄ZI＄＄Base|

IMPORT |Image＄＄ZI＄＄Limit|

LDR r0， =|Image＄＄RO＄＄Limit|

LDR r1， =|Image＄＄RW＄＄Base|

LDR r3， =|Image＄＄ZI＄＄Base|

CMP r0， r1

BEQ %F1

0 CMP r1， r3

LDRCC r2， [r0]， #4

STRCC r2， [r1]， #4

BCC %B0

1 LDR r1， =|Image＄＄ZI＄＄Limit|

MOV r2， #0

2 CMP r3， r1

STRCC r2， [r3]， #4

BCC %B2

　　在RAM中初始化RW段和ZI段后，ZI段結束后的首地址到系統RAM最高端之間的內存就是用戶(hù)可以自由使用的空間，也就是說(shuō)Image＄＄ZI＄＄Limit是這一內存空間的起始地址。

　　如果系統使用了FIQ和IRQ中斷，在ZI段之后可以創(chuàng )建這兩種中斷的?？臻g，然后是操作系統使用的SVC模式下的?？臻g，假設每一個(gè)棧大小為1024個(gè)字節。如果系統使用了定時(shí)器，還可在此之后創(chuàng )建定時(shí)器中斷的?？臻g，假設其大小也為1024個(gè)字節。此時(shí)自由內存空間的起始地址變?yōu)?

　　Image＄＄ZI＄＄Limit+1024×4

　　在初始化代碼的最后將其作為一個(gè)參數傳遞到C程序入口，代碼如下:

LDR r0， =|Image＄＄ZI＄＄Limit|

;創(chuàng )建IRQ?？臻g。

……

;增加地址指針。

ADD r0， r0， #1024

;創(chuàng )建FIQ?？臻g。

……

;增加地址指針。

ADD r0， r0， #1024

;創(chuàng )建SVC?？臻g。

……

;增加地址指針。

ADD r0， r0， #1024

;創(chuàng )建定時(shí)器中斷?？臻g。

……

;增加地址指針。

ADD r0， r0， #1024

;導入C代碼入口點(diǎn)。

IMPORT C_ENTRY

;跳轉到C代碼，此時(shí)r0作為入口參數。

B C_ENTRY

3.3 對實(shí)例的總結

　　在C程序中，上述起始地址可以作為內存分區創(chuàng )建函數OSMemCreate()的內存地址參數，內存分區的最大值就是目標板RAM的最高端地址減去起始地址的值。圖1顯示了RO段在RAM中的內存分布情況，這種情況下，程序映像一般被保存在目標板閃存中。系統從閃存啟動(dòng)后，將RO段拷貝到RAM中繼續執行。圖2顯示了RO段在閃存中，RW和ZI段在RAM中的情況。這種情況下，系統啟動(dòng)和代碼的執行都發(fā)生在閃存中。

用戶(hù)知道起始地址的值和自由內存的大小后，就可以清楚、靈活地建立和使用內存分區了?？梢愿鶕唧w需要建立一些大小不同的內存分區，任務(wù)棧、事件控制塊和消息隊列都可以在這些內存分區中分配。系統可以非常清晰地掌握內存使用情況。

　　本文針對一種芯片描述了如何實(shí)現對μC/OS-Ⅱ內存管理的改進(jìn)。對于其它類(lèi)型的微處理器，例如CISC指令集的芯片，雖然具體實(shí)現過(guò)程有所不同，但思路是一樣的。

　　μC/OS-Ⅱ的內存管理還有需要改進(jìn)的地方，例如，現在的內存管理只支持固定大小的分區，而實(shí)際應用中有動(dòng)態(tài)分配非固定分區的需求。這就要求μC/OS-Ⅱ有實(shí)現該功能的軟件結構和內存分配、回收算法?，F在能清楚地掌握系統初始化后內存分布情況，為今后實(shí)現這些軟件結構和算法打下了基礎。