嵌入式系统中内存管理方法

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嵌入式系统中内存管理方法

2019-07-13 20:37发布生成海报

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内存管理在嵌入式系统中是一个比较重要的问题，如果处理不好内存资源的管理，那么系统的鲁棒性将会大大降低，更严重的话系统将会无法正常运行。过去我在DSP平台上开发过tcp/ip协议栈，遇到过此类情况，所以在此我想对嵌入式系统中的内存管理方法进行总结，重点说明为什么不能在嵌入式系统中应用malloc函数。

malloc在嵌入式系统中应用的问题

在嵌入式系统中采用静态内存分配的方法比较可靠，但是，很多应用需要进行内存的动态分配。提起动态内存分配，大家不约而同的会想到malloc函数，该函数是C语言中定义的标准内存分配函数，一般的C语言编译器都会提供该函数，例如在嵌入式应用中常用的编译开发环境Keil C、CCS以及ADS都会提供此类内存分配函数。编译器提供的malloc内存分配函数的实现基于堆算法。动态内存区域是一个堆空间，分配内存时总是从堆的头部向后查找，分配一块满足大小的一段空间，释放资源时检查是否可以与堆空间中的临近空闲资源合并成大块，如果可以合并，那么堆空间中的连续资源将会增加，否则将会产生一个新块链接在堆空间中的链表中。用于内存管理的堆空间链表示意如下图：

在系统初始化时，动态分配的堆空间为一整块资源，随着内存资源的不断分配、释放，堆空间将会被不断切分，切分成很多细粒度的空闲块资源。当堆空间被切分成很多小块时，系统就不可能再为大块需求分配资源了。虽然细粒度的块聚合起来能够满足应用需求，但是，堆算法已经无能为力了，就会出现malloc分配失败的情况。从堆算法的本质出发，我们就可以认识到malloc在嵌入式系统中应用存在的问题。当系统长时间运行之后，内存资源将会变得越来越零散，运行之初大块的内存已经不复存在，可能只剩下很多小块的资源。所以在大块内存需求的情况下，系统将会出错，所以系统的鲁棒性将会随着系统运行时间的增长而下降。因此，在嵌入式应用中不建议使用malloc进行内存分配。

小型嵌入式系统中的内存管理方法

小型嵌入式系统中经常采用分块的内存管理方法。其思想比较简单，即将内存资源分成若干块，当需要内存资源时，获取一个块资源，使用完毕之后再将块资源释放，归还给系统。采用分块算法的一个问题是：如何确定块大小？因为系统中的应用对块大小需求不一样，如果块过大，那么利用率下降，如果块过小，那么无法满足分配需求。针对该问题，提出了块资源池的概念，每个池中的块大小都不一样。应用提出内存资源需求后，系统根据需求到合适的池中得到资源块；释放资源时，再将资源块释放到对应的池中。在实际的uc/os操作系统中，就采用了这种块资源算法的内存管理方法。虽然，分块算法在效率上不是十分高效，存在块内碎片，但是，对于简单、小型的嵌入式应用，这种管理算法已经足够了。

大型嵌入式系统中的内存管理方法

目前，最有效的内存管理方法是虚拟内存技术，通过虚拟内存技术可以将逻辑内存和物理内存分开，程序运行在逻辑内存空间，对于每个任务而言都能看到一个很大的内存空间，逻辑内存和实际的物理内存通过页表进行动态映射。由于虚拟内存技术涉及到页表的映射查找，所以如果采用纯软件的手段，那么实现效率将十分低下，因此往往需要硬件的加速。这个硬件加速单元就是MMU（memory management unit），其本质上就是一个lookup table。因此，采用虚拟内存技术的嵌入式系统都需要CPU集成MMU，否则该套机制很难实现。