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我们知道，在ANSI C中可以用malloc()和free()两个函数动态地分配内存和释放内存。但是，在嵌入式实时操作系统中，多次这样做会把原来很大的一块连续内存区域，逐渐地分割成许多非常小而且彼此又不相邻的内存区域，也就是内存碎片。由于这些碎片的大量存在，使得程序到后来连非常小的内存也分配不到。在4.02节的任务堆栈中，我们讲到过用malloc()函数来分配堆栈时，曾经讨论过内存碎片的问题。另外，由于内存管理算法的原因，malloc()和free()函数执行时间是不确定的。 在µC/OS-II中，操作系统把连续的大块内存按分区来管理。每个分区中包含有整数个大小相同的内存块，如同图F7.1。利用这种机制，µC/OS-II 对malloc()和free()函数进行了改进，使得它们可以分配和释放固定大小的内存块。这样一来，malloc()和free()函数的执行时间也是固定的了。 如图 F7.2，在一个系统中可以有多个内存分区。这样，用户的应用程序就可以从不同的内存分区中得到不同大小的内存块。但是，特定的内存块在释放时必须重新放回它以前所属于的内存分区。显然，采用这样的内存管理算法，上面的内存碎片问题就得到了解决。 内存控制块 为了便于内存的管理，在µC/OS-II中使用内存控制块（memory control blocks）的数据结构来跟踪每一个内存分区，系统中的每个内存分区都有它自己的内存控制块。程序清单L7.1是内存控制块的定义。 程序清单 L7.1 内存控制块的数据结构 typedef struct { void *OSMemAddr; void *OSMemFreeList; INT32U OSMemBlkSize; INT32U OSMemNBlks; INT32U OSMemNFree; } OS_MEM; .OSMemAddr是指向内存分区起始地址的指针。它在建立内存分区[见7.1节，建立一个内存分区，OSMemCreate()]时被初始化，在此之后就不能更改了。 .OSMemFreeList是指向下一个空闲内存控制块或者下一个空闲的内存块的指针，具体含义要根据该内存分区是否已经建立来决定[见7.1节]。 .OSMemBlkSize是内存分区中内存块的大小，是用户建立该内存分区时指定的[见7.1节]。 .OSMemNBlks是内存分区中总的内存块数量，也是用户建立该内存分区时指定的[见7.1节]。 .OSMemNFree是内存分区中当前可以得空闲内存块数量。 如果要在µC/OS-II中使用内存管理，需要在OS_CFG.H文件中将开关量OS_MEM_EN设置为1。这样µC/OS-II 在启动时就会对内存管理器进行初始化[由OSInit()调用OSMemInit()实现]。该初始化主要建立一个图 F7.3所示的内存控制块链表，其中的常数OS_MAX_MEM_PART（见文件OS_CFG.H）定义了最大的内存分区数，该常数值至少应为2。 建立一个内存分区，OSMemCreate() 在使用一个内存分区之前，必须先建立该内存分区。这个操作可以通过调用OSMemCreate()函数来完成。程序清单 L7.2说明了如何建立一个含有100个内存块、每个内存块32字节的内存分区。 程序清单 L7.2 建立一个内存分区 OS_MEM *CommTxBuf; INT8U CommTxPart[100][32]; void main (void) { INT8U err; OSInit(); . . CommTxBuf = OSMemCreate(CommTxPart, 100, 32, &err); . . OSStart(); } 程序清单 L7.3是OSMemCreate()函数的源代码。该函数共有4个参数：内存分区的起始地址、分区内的内存块总块数、每个内存块的字节数和一个指向错误信息代码的指针。如果OSMemCreate()操作失败，它将返回一个NULL指针。否则，它将返回一个指向内存控制块的指针。对内存管理的其它操作，象OSMemGet()，OSMemPut()，OSMemQuery()函数等，都要通过该指针进行。 每个内存分区必须含有至少两个内存块[L7.3(1)]，每个内存块至少为一个指针的大小，因为同一分区中的所有空闲内存块是由指针串联起来的[L7.3(2)]。接着，OSMemCreate()从系统中的空闲内存控制块中取得一个内存控制块[L7.3(3)]，该内存控制块包含相应内存分区的运行信息。OSMemCreate()必须在有空闲内存控制块可用的情况下才能建立一个内存分区[L7.3(4)]。在上述条件均得到满足时，所要建立的内存分区内的所有内存块被链接成一个单向的链表[L7.3(5)]。然后，在对应的内存控制块中填写相应的信息[L7.3(6)]。完成上述各动作后，OSMemCreate()返回指向该内存块的指针。该指针在以后对内存块的操作中使用[L7.3(6)]。 OS_MEM *OSMemCreate (void *addr, INT32U nblks, INT32U blksize, INT8U *err) { OS_MEM *pmem; INT8U *pblk; void **plink; INT32U i; if (nblks < 2) { (1) *err = OS_MEM_INVALID_BLKS; return ((OS_MEM *)0); } if (blksize < sizeof(void *)) { (2) *err = OS_MEM_INVALID_SIZE; return ((OS_MEM *)0); } OS_ENTER_CRITICAL(); pmem = OSMemFreeList; (3) if (OSMemFreeList != (OS_MEM *)0) { OSMemFreeList = (OS_MEM *)OSMemFreeList->OSMemFreeList; } OS_EXIT_CRITICAL(); if (pmem == (OS_MEM *)0) { (4) *err = OS_MEM_INVALID_PART; return ((OS_MEM *)0); } plink = (void **)addr; (5) pblk = (INT8U *)addr + blksize; for (i = 0; i < (nblks - 1); i++) { *plink = (void *)pblk; plink = (void **)pblk; pblk = pblk + blksize; } *plink = (void *)0; OS_ENTER_CRITICAL(); pmem->OSMemAddr = addr; (6) pmem->OSMemFreeList = addr; pmem->OSMemNFree = nblks; pmem->OSMemNBlks = nblks; pmem->OSMemBlkSize = blksize; OS_EXIT_CRITICAL(); *err = OS_NO_ERR; return (pmem); (7) } 分配一个内存块，OSMemGet() 应用程序可以调用OSMemGet()函数从已经建立的内存分区中申请一个内存块。该函数的唯一参数是指向特定内存分区的指针，该指针在建立内存分区时，由OSMemCreate()函数返回。显然，应用程序必须知道内存块的大小，并且在使用时不能超过该容量。例如，如果一个内存分区内的内存块为32字节，那么，应用程序最多只能使用该内存块中的32字节。当应用程序不再使用这个内存块后，必须及时把它释放，重新放入相应的内存分区中[见7.03节，释放一个内存块，OSMemPut()]。 程序清单 L7.4是OSMemGet()函数的源代码。参数中的指针pmem指向用户希望从其中分配内存块的内存分区[L7.4(1)]。OSMemGet()首先检查内存分区中是否有空闲的内存块[L7.4(2)]。如果有，从空闲内存块链表中删除第一个内存块[L7.4(3)]，并对空闲内存块链表作相应的修改 [L7.4(4)]。这包括将链表头指针后移一个元素和空闲内存块数减1[L7.4(5)]。最后，返回指向被分配内存块的指针[L7.4(6)]。 void *OSMemGet (OS_MEM *pmem, INT8U *err) (1) { void *pblk; OS_ENTER_CRITICAL(); if (pmem->OSMemNFree > 0) { (2) pblk = pmem->OSMemFreeList; (3) pmem->OSMemFreeList = *(void **)pblk; (4) pmem->OSMemNFree--; (5) OS_EXIT_CRITICAL(); *err = OS_NO_ERR; return (pblk); (6) } else { OS_EXIT_CRITICAL(); *err = OS_MEM_NO_FREE_BLKS; return ((void *)0); } } 值得注意的是，用户可以在中断服务子程序中调用OSMemGet()，因为在暂时没有内存块可用的情况下，OSMemGet()不会等待，而是马上返回NULL指针。 释放一个内存块，OSMemPut() 当用户应用程序不再使用一个内存块时，必须及时地把它释放并放回到相应的内存分区中。这个操作由OSMemPut()函数完成。必须注意的是，OSMemPut()并不知道一个内存块是属于哪个内存分区的。例如，用户任务从一个包含32字节内存块的分区中分配了一个内存块，用完后，把它返还给了一个包含120字节内存块的内存分区。当用户应用程序下一次申请120字节分区中的一个内存块时，它会只得到32字节的可用空间，其它88字节属于其它的任务，这就有可能使系统崩溃。 程序清单 L7.5是OSMemPut()函数的源代码。它的第一个参数pmem是指向内存控制块的指针，也即内存块属于的内存分区[L7.5(1)]。OSMemPut()首先检查内存分区是否已满[L7.5(2)]。如果已满，说明系统在分配和释放内存时出现了错误。如果未满，要释放的内存块被插入到该分区的空闲内存块链表中[L7.5(3)]。最后，将分区中空闲内存块总数加1[L7.5(4)]。 INT8U OSMemPut (OS_MEM *pmem, void *pblk) (1) { OS_ENTER_CRITICAL(); if (pmem->OSMemNFree >= pmem->OSMemNBlks) { (2) OS_EXIT_CRITICAL(); return (OS_MEM_FULL); } *(void **)pblk = pmem->OSMemFreeList; (3) pmem->OSMemFreeList = pblk; pmem->OSMemNFree++; (4) OS_EXIT_CRITICAL(); return (OS_NO_ERR); } 查询一个内存分区的状态，OSMemQuery() 在µC/OS-II 中，可以使用OSMemQuery()函数来查询一个特定内存分区的有关消息。通过该函数可以知道特定内存分区中内存块的大小、可用内存块数和正在使用的内存块数等信息。所有这些信息都放在一个叫OS_MEM_DATA的数据结构中，如程序清单 L7.6。 typedef struct { void *OSAddr; /* 指向内存分区首地址的指针 */ void *OSFreeList; /* 指向空闲内存块链表首地址的指针 */ INT32U OSBlkSize; /* 每个内存块所含的字节数 */ INT32U OSNBlks; /* 内存分区总的内存块数 */ INT32U OSNFree; /* 空闲内存块总数 */ INT32U OSNUsed; /* 正在使用的内存块总数 */ } OS_MEM_DATA; 程序清单 L7.7是OSMemQuery()函数的源代码，它将指定内存分区的信息复制到OS_MEM_DATA定义的变量的对应域中。在此之前，代码首先禁止了外部中断，防止复制过程中某些变量值被修改[L7.7(1)]。由于正在使用的内存块数是由OS_MEM_DATA中的局部变量计算得到的，所以，可以放在（critical section中断屏蔽）的外面。 INT8U OSMemQuery (OS_MEM *pmem, OS_MEM_DATA *pdata) { OS_ENTER_CRITICAL(); pdata->OSAddr = pmem->OSMemAddr; (1) pdata->OSFreeList = pmem->OSMemFreeList; pdata->OSBlkSize = pmem->OSMemBlkSize; pdata->OSNBlks = pmem->OSMemNBlks; pdata->OSNFree = pmem->OSMemNFree; OS_EXIT_CRITICAL(); pdata->OSNUsed = pdata->OSNBlks - pdata->OSNFree; (2) return (OS_NO_ERR); } Using Memory Partitions 第一个任务读取并检查模拟输入量的值（如气压、温度、电压等），如果其超过了一定的阈值，就向第二个任务发送一个消息。该消息中含有时间信息、出错的通道号和错误代码等可以想象的任何可能的信息。 错误处理程序是该例子的中心。任何任务、中断服务子程序都可以向该任务发送出错消息。错误处理程序则负责在显示设备上显示出错信息，在磁盘上登记出错记录，或者启动另一个任务对错误进行纠正等。 程序清单 L7.8 内存分配的例子——扫描模拟量的输入和报告出错 AnalogInputTask() { for (;;) { for (所有的模拟量都有输入) { 读入模拟量输入值; (1) if (模拟量超过阈值) { 得到一个内存块; (2) 得到当前系统时间 (以时钟节拍为单位); (3) 将下列各项存入内存块: (4) 系统时间 (时间戳); 超过阈值的通道号; 错误代码; 错误等级; 等. 向错误队列发送错误消息; (5) (一个指向包含上述各项的内存块的指针) } } 延时任务,直到要再次对模拟量进行采样时为止; } } ErrorHandlerTask() { for (;;) { 等待错误队列的消息; (6) (得到指向包含有关错误数据的内存块的指针) 读入消息,并根据消息的内容执行相应的操作; (7) 将内存块放回到相应的内存分区中; (8) } } 等待一个内存块 有时候，在内存分区暂时没有可用的空闲内存块的情况下，让一个申请内存块的任务等待也是有用的。但是，µC/OS-II本身在内存管理上并不支持这项功能。如果确实需要，则可以通过为特定内存分区增加信号量的方法，实现这种功能（见6.05节，信号量）。应用程序为了申请分配内存块，首先要得到一个相应的信号量，然后才能调用OSMemGet()函数。 程序代码首先定义了程序中使用到的各个变量[L7.9(1)]。该例中，直接使用数字定义了各个变量的大小，实际应用中，建议将这些数字定义成常数。在系统复位时，µC/OS-II调用OSInit()进行系统初始化[L7.9(2)]，然后用内存分区中总的内存块数来初始化一个信号量[L7.9(3)]，紧接着建立内存分区[L7.9(4)]和相应的要访问该分区的任务[L7.9(5)]。当然，到此为止，我们对如何增加其它的任务也已经很清楚了。显然，如果系统中只有一个任务使用动态内存块，就没有必要使用信号量了。这种情况不需要保证内存资源的互斥。事实上，除非我们要实现多任务共享内存，否则连内存分区都不需要。多任务执行从OSStart()开始[L7.9(6)]。当一个任务运行时，只有在信号量有效时[L7.9(7)]，才有可能得到内存块[L7.9(8)]。一旦信号量有效了，就可以申请内存块并使用它，而没有必要对OSSemPend()返回的错误代码进行检查。因为在这里，只有当一个内存块被其它任务释放并放回到内存分区后，µC/OS-II才会返回到该任务去执行。同理，对OSMemGet()返回的错误代码也无需做进一步的检查（一个任务能得以继续执行，则内存分区中至少有一个内存块是可用的）。当一个任务不再使用某内存块时，只需简单地将它释放并返还到内存分区[L7.9(9)]，并发送该信号量 |
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