第四十二章 内存管理实验

 
1.硬件平台：正点原子探索者STM32F407开发板 2.软件平台：MDK5.1 3.固件库版本：V1.4.0 
上一章，我们学会了使用STM32F4驱动外部SRAM，以扩展STM32F4的内存，加上STM32F4本身自带的192K字节内存，我们可供使用的内存还是比较多的。如果我们所用的内存都像上一节的testsram那样，定义一个数组来使用，显然不是一个好办法。 本章，我们将学习内存管理，实现对内存的动态管理。本章分为如下几个部分： 42.1 内存管理简介 42.2 硬件设计 42.3 软件设计 42.4 下载验证  

42.1 内存管理简介

内存管理，是指软件运行时对计算机内存资源的分配和使用的技术。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在适当的时候释放和回收内存资源。内存管理的实现方法有很多种，他们其实最终都是要实现2个函数：malloc和free；malloc函数用于内存申请，free函数用于内存释放。 本章，我们介绍一种比较简单的办法来实现：分块式内存管理。下面我们介绍一下该方法的实现原理，如图42.1.1所示：
图42.1.1 分块式内存管理原理        从上图可以看出，分块式内存管理由内存池和内存管理表两部分组成。内存池被等分为n块，对应的内存管理表，大小也为n，内存管理表的每一个项对应内存池的一块内存。        内存管理表的项值代表的意义为：当该项值为0的时候，代表对应的内存块未被占用，当该项值非零的时候，代表该项对应的内存块已经被占用，其数值则代表被连续占用的内存块数。比如某项值为10，那么说明包括本项对应的内存块在内，总共分配了10个内存块给外部的某个指针。 内寸分配方向如图所示，是从顶à底的分配方向。即首先从最末端开始找空内存。当内存管理刚初始化的时候，内存表全部清零，表示没有任何内存块被占用。 分配原理 当指针p调用malloc申请内存的时候，先判断p要分配的内存块数（m），然后从第n项开始，向下查找，直到找到m块连续的空内存块（即对应内存管理表项为0），然后将这m个内存管理表项的值都设置为m（标记被占用），最后，把最后的这个空内存块的地址返回指针p，完成一次分配。注意，如果当内存不够的时候（找到最后也没找到连续的m块空闲内存），则返回NULL给p，表示分配失败。 释放原理 当p申请的内存用完，需要释放的时候，调用free函数实现。free函数先判断p指向的内存地址所对应的内存块，然后找到对应的内存管理表项目，得到p所占用的内存块数目m（内存管理表项目的值就是所分配内存块的数目），将这m个内存管理表项目的值都清零，标记释放，完成一次内存释放。 关于分块式内存管理的原理，我们就介绍到这里。  

42.2 硬件设计

本章实验功能简介：开机后，显示提示信息，等待外部输入。KEY0用于申请内存，每次申请2K字节内存。KEY1用于写数据到申请到的内存里面。KEY2用于释放内存。KEY_UP用于切换操作内存区（内部SRAM内存/外部SRAM内存/内部CCM内存）。DS0用于指示程序运行状态。本章我们还可以通过USMART调试，测试内存管理函数。 本实验用到的硬件资源有： 1）  指示灯DS0 2）  四个按键 3）  串口 4）  TFTLCD模块 5）  IS62WV51216 这些我们都已经介绍过，接下来我们开始软件设计。

42.3 软件设计

打开本章实验工程可以看到，我们新增了MALLOC分组，同时在分组中新建了文件malloc.c以及头文件malloc.h。 内存管理相关的函数和定义主要是在这两个文件中。        打开malloc.c文件，代码如下： //内存池(32字节对齐) __align(32) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; //内部SRAM内存池 __align(32) u8 mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X68000000))); //外部SRAM内存池 __align(32) u8 mem3base[MEM3_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X10000000))); //内部CCM内存池 //内存管理表 u16 mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE];       //内部SRAM内存池MAP u16 mem2mapbase[MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(0X68000000 +MEM2_MAX_SIZE)));        //外部SRAM内存池MAP u16 mem3mapbase[MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(0X10000000 +MEM3_MAX_SIZE)));        //内部CCM内存池MAP //内存管理参数        const u32 memtblsize[SRAMBANK]={MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE, MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE,MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE};     //内存表大小 const u32 memblksize[SRAMBANK]={MEM1_BLOCK_SIZE,MEM2_BLOCK_SIZE, MEM3_BLOCK_SIZE};                                                               //内存分块大小 const u32 memsize[SRAMBANK]={MEM1_MAX_SIZE,MEM2_MAX_SIZE, MEM3_MAX_SIZE};                                                                  //内存总大小 //内存管理控制器 struct _m_mallco_dev mallco_dev= {        my_mem_init,                                          //内存初始化        my_mem_perused,                                    //内存使用率        mem1base,mem2base,mem3base,                //内存池        mem1mapbase,mem2mapbase,mem3mapbase,//内存管理状态表        0,0,0,                                                    //内存管理未就绪 };  //复制内存 //*des:目的地址 //*src:源地址 //n:需要复制的内存长度(字节为单位) void mymemcpy(void *des,void *src,u32 n)  {      u8 *xdes=des;        u8 *xsrc=src;     while(n--)*xdes++=*xsrc++;  }  //设置内存 //*s:内存首地址 //c :要设置的值 //count:需要设置的内存大小(字节为单位) void mymemset(void *s,u8 c,u32 count)  {      u8 *xs = s;      while(count--)*xs++=c;  }        //内存管理初始化  //memx:所属内存块 void my_mem_init(u8 memx)  {      mymemset(mallco_dev.memmap[memx], 0,memtblsize[memx]*2);//内存状态表数据清零         mymemset(mallco_dev.membase[memx], 0,memsize[memx]);   //内存池所有数据清零         mallco_dev.memrdy[memx]=1;                                              //内存管理初始化OK  }  //获取内存使用率 //memx:所属内存块 //返回值:使用率(0~100) u8 my_mem_perused(u8 memx)  {      u32 used=0;u32 i;        for(i=0;i<memtblsize[memx];i++) { if(mallco_dev.memmap[memx])used++; }         return (used*100)/(memtblsize[memx]);  }  //内存分配(内部调用) //memx:所属内存块 //size:要分配的内存大小(字节) //返回值:0XFFFFFFFF,代表错误;其他,内存偏移地址 u32 my_mem_malloc(u8 memx,u32 size)  {      signed long offset=0;      u32 nmemb;   //需要的内存块数         u32 cmemb=0;//连续空内存块数     u32 i;      if(!mallco_dev.memrdy[memx])mallco_dev.init(memx);//未初始化,先执行初始化     if(size==0)return 0XFFFFFFFF;          //不需要分配     nmemb=size/memblksize[memx];       //获取需要分配的连续内存块数     if(size%memblksize[memx])nmemb++;      for(offset=memtblsize[memx]-1;offset>=0;offset--)    //搜索整个内存控制区      {                   if(!mallco_dev.memmap[memx][offset])cmemb++;//连续空内存块数增加               else cmemb=0;                                                 //连续内存块清零               if(cmemb==nmemb)                                         //找到了连续nmemb个空内存块               {             for(i=0;i<nmemb;i++)                                     //标注内存块非空             {                  mallco_dev.memmap[memx][offset+i]=nmemb;              }              return (offset*memblksize[memx]);//返回偏移地址                }     }      return 0XFFFFFFFF;//未找到符合分配条件的内存块  }  //释放内存(内部调用) //memx:所属内存块 //offset:内存地址偏移 //返回值:0,释放成功;1,释放失败;  u8 my_mem_free(u8 memx,u32 offset)  {      int i;      if(!mallco_dev.memrdy[memx])//未初始化,先执行初始化        {               mallco_dev.init(memx);       //初始化内存池         return 1;                              //未初始化      }      if(offset<memsize[memx])//偏移在内存池内.     {          int index=offset/memblksize[memx];                  //偏移所在内存块号码          int nmemb=mallco_dev.memmap[memx][index];       //内存块数量         for(i=0;i<nmemb;i++) mallco_dev.memmap[memx][index+i]=0;//内存块清零         return 0;      }else return 2;//偏移超区了.  }  //释放内存(外部调用) //memx:所属内存块 //ptr:内存首地址 void myfree(u8 memx,void *ptr)  {         u32 offset;          if(ptr==NULL)return;//地址为0.        offset=(u32)ptr-(u32)mallco_dev.membase[memx];          my_mem_free(memx,offset);       //释放内存      }  //分配内存(外部调用) //memx:所属内存块 //size:内存大小(字节) //返回值:分配到的内存首地址. void *mymalloc(u8 memx,u32 size)  {      u32 offset;          offset=my_mem_malloc(memx,size);                            if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL;      else return (void*)((u32)mallco_dev.membase[memx]+offset);  }  //重新分配内存(外部调用) //memx:所属内存块 //*ptr:旧内存首地址 //size:要分配的内存大小(字节) //返回值:新分配到的内存首地址. void *myrealloc(u8 memx,void *ptr,u32 size)  {      u32 offset;        offset=my_mem_malloc(memx,size);            if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL;         else      {                                                                           mymemcpy((void*)((u32)mallco_dev.membase[memx]+offset),ptr,size);  //拷贝旧内存内容到新内存           myfree(memx,ptr);                  //释放旧内存         return (void*)((u32)mallco_dev.membase[memx]+offset); //返回新内存首地址     }  }        这里，我们通过内存管理控制器mallco_dev结构体（mallco_dev结构体见malloc.h），实现对三个内存池的管理控制。为甚        首先，是内部SRAM内存池，定义为： __align(32) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE];               然后，是外部SRAM内存池，定义为： __align(32) u8 mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X68000000)));  最后，是内部CCM内存池，定义为： __align(32) u8 mem3base[MEM3_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X10000000)));                这里之所以要定义成3个，是因为这三个内存区域的地址都不一样，STM32F4内部内存分为两大块：1，普通内存（又分为主要内存和辅助内存，地址从：0X2000 0000开始，共128KB），这部分内存任何外设都可以访问。2，CCM内存（地址从：0X1000 0000开始，共64KB），这部分内存仅CPU可以访问，DMA之类的不可以直接访问，使用时得特别注意！！        而外部SRAM，地址是从0X6800 0000开始的，共1024KB。所以，这样总共有3部分内存，而内存池必须是连续的内存空间，才可以，这样3个内存区域，就有3个内存池，因此，分成了3块来管理。 其中，MEM1_MAX_SIZE、MEM2_MAX_SIZE和MEM3_MAX_SIZE为在malloc.h里面定义的内存池大小，外部SRAM内存池指定地址为0X6800 0000，也就是从外部SRAM的首地址开始的，CCM内存池从0X1000 0000开始，同样是从CCM内存的首地址开始的。但是，内部SRAM内存池的首地址则由编译器自动分配。__align(32)定义内存池为32字节对齐，以适应各种不同场合的需求。 此部分代码的核心函数为：my_mem_malloc和my_mem_free，分别用于内存申请和内存释放。思路就是我们在42.1接所介绍的那样分配和释放内存，不过这两个函数只是内部调用，外部调用我们使用的是mymalloc和myfree两个函数。其他函数我们就不多介绍了，保存malloc.c，然后，打开malloc.h，代码如下： #ifndef __MALLOC_H #define __MALLOC_H #include "stm32f4xx.h"#ifndef NULL #define NULL 0 #endif //定义三个内存池 #define SRAMIN        0            //内部内存池 #define SRAMEX       1            //外部内存池 #define SRAMCCM     2            //CCM内存池(此部分SRAM仅仅CPU可以访问!!!) #define SRAMBANK   3            //定义支持的SRAM块数.   //mem1内存参数设定.mem1完全处于内部SRAM里面. #define MEM1_BLOCK_SIZE            32                      //内存块大小为32字节 #define MEM1_MAX_SIZE                100*1024             //最大管理内存 100K #define MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE       MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE       //内存表大小 //mem2内存参数设定.mem2的内存池处于外部SRAM里面 #define MEM2_BLOCK_SIZE            32                       //内存块大小为32字节 #define MEM2_MAX_SIZE                960 *1024            //最大管理内存960K #define MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE       MEM2_MAX_SIZE/MEM2_BLOCK_SIZE       //内存表大小         //mem3内存参数设定.mem3处于CCM,用于管理CCM(特别注意,这部分SRAM,仅CPU可 //以访问!!) #define MEM3_BLOCK_SIZE                   32               //内存块大小为32字节 #define MEM3_MAX_SIZE                60 *1024             //最大管理内存60K #define MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE       MEM3_MAX_SIZE/MEM3_BLOCK_SIZE       //内存表大小 //内存管理控制器 struct _m_mallco_dev {        void (*init)(u8);                                 //初始化        u8 (*perused)(u8);                          //内存使用率        u8   *membase[SRAMBANK];           //内存池 管理SRAMBANK个区域的内存        u16 *memmap[SRAMBANK];           //内存管理状态表        u8  memrdy[SRAMBANK];              //内存管理是否就绪 }; extern struct _m_mallco_dev mallco_dev;    //在mallco.c里面定义 void mymemset(void *s,u8 c,u32 count);     //设置内存 void mymemcpy(void *des,void *src,u32 n);      //复制内存     void my_mem_init(u8 memx);                   //内存管理初始化函数(外/内部调用) u32 my_mem_malloc(u8 memx,u32 size);   //内存分配(内部调用) u8 my_mem_free(u8 memx,u32 offset);      //内存释放(内部调用) u8 my_mem_perused(u8 memx);                //获得内存使用率(外/内部调用) //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //用户调用函数 void myfree(u8 memx,void *ptr);              //内存释放(外部调用) void *mymalloc(u8 memx,u32 size);           //内存分配(外部调用) void *myrealloc(u8 memx,void *ptr,u32 size);//重新分配内存(外部调用) #endif 这部分代码，定义了很多关键数据，比如内存块大小的定义：MEM1_BLOCK_SIZE、MEM2_BLOCK_SIZE和MEM3_BLOCK_SIZE，都是32字节。内存池总大小，内部SRAM内存池大小为100K，外部SRAM内存池大小为960K，内部CCM内存池大小为60K。 MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE、MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE和MEM3_ALLOC_TABLE_ SIZE，则分别代表内存池1、2和3的内存管理表大小。 从这里可以看出，如果内存分块越小，那么内存管理表就越大，当分块为2字节1个块的时候，内存管理表就和内存池一样大了（管理表的每项都是u16类型）。显然是不合适的，我们这里取32字节，比例为1:16，内存管理表相对就比较小了。 其他就不多说了，大家自行看代码理解就好。接下来我们看看主函数代码： int main(void) {                   u8 key; u8 i=0; u8 *p=0;       u8 *tp=0;                     u8 paddr[18];                       //存放P Addr:+p地址的ASCII值        u8 sramx=0;                        //默认为内部sram        NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2        delay_init(168);  //初始化延时函数        uart_init(115200);         //初始化串口波特率为115200        LED_Init();                                //初始化LED       LCD_Init();                                //LCD初始化        KEY_Init();                                //按键初始化       FSMC_SRAM_Init();                  //初始化外部SRAM         my_mem_init(SRAMIN);     //初始化内部内存池        my_mem_init(SRAMEX);    //初始化外部内存池        my_mem_init(SRAMCCM);  //初始化CCM内存池       POINT_COLOR=RED;//设置字体为红 {MOD}        LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer STM32F4");              LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"MALLOC TEST");            LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");        LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2014/5/15");          LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY0:Malloc  KEY2:Free");        LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"KEY_UP:SRAMx KEY1:Read");       POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝 {MOD}        LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SRAMIN");        LCD_ShowString(30,190,200,16,16,"SRAMIN  USED:   %");        LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"SRAMEX  USED:   %");        LCD_ShowString(30,230,200,16,16,"SRAMCCM USED:   %");       while(1)        {                   key=KEY_Scan(0);//不支持连按                switch(key)               {                      case 0://没有按键按下                               break;                      case KEY0_PRES: //KEY0按下                             p=mymalloc(sramx,2048);//申请2K字节                             if(p!=NULL)sprintf((char*)p,"Memory Malloc Test%03d",i);//向p写入内容                             break;                      case KEY1_PRES: //KEY1按下                                 if(p!=NULL)                             {                                    sprintf((char*)p,"Memory Malloc Test%03d",i);//更新显示内容                                           LCD_ShowString(30,270,200,16,16,p);       //显示P的内容                             }                             break;                      case KEY2_PRES: //KEY2按下                                myfree(sramx,p);   //释放内存                             p=0;                      //指向空地址                             break;                      case WKUP_PRES:       //KEY UP按下                             sramx++;                             if(sramx>2)sramx=0;                             if(sramx==0)LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SRAMIN ");                             else if(sramx==1)LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SRAMEX ");                             else LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SRAMCCM");                             break;               }               if(tp!=p)               {                      tp=p;                      sprintf((char*)paddr,"P Addr:0X%08X",(u32)tp);                      LCD_ShowString(30,250,200,16,16,paddr);       //显示p的地址                      if(p)LCD_ShowString(30,270,200,16,16,p);//显示P的内容                   else LCD_Fill(30,270,239,266,WHITE);     //p=0,清除显示               }               delay_ms(10);                 i++;               if((i%20)==0)//DS0闪烁.               {                      LCD_ShowNum(30+104,190,my_mem_perused(SRAMIN),3,16);//显示使用率                      LCD_ShowNum(30+104,210,my_mem_perused(SRAMEX),3,16);//显示使用率                      LCD_ShowNum(30+104,230,my_mem_perused(SRAMCCM),3,16);//使用率                     LED0=!LED0;              }        } }        该部分代码比较简单，主要是对mymalloc和myfree的应用。不过这里提醒大家，如果对一个指针进行多次内存申请，而之前的申请又没释放，那么将造成“内存泄露”，这是内存管理所不希望发生的，久而久之，可能导致无内存可用的情况！所以，在使用的时候，请大家一定记得，申请的内存在用完以后，一定要释放。

42.4 下载验证

在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK探索者STM32F4开发板上，得到如图42.4.1所示界面： 图42.4.1 程序运行效果图 可以看到，所有内存的使用率均为0%，说明还没有任何内存被使用，此时我们按下KEY0，就可以看到内部SRAM内存被使用2%了，同时看到下面提示了指针p所指向的地址（其实就是被分配到的内存地址）和内容。多按几次KEY0，可以看到内存使用率持续上升（注意对比p的值，可以发现是递减的，说明是从顶部开始分配内存！），此时如果按下KEY2，可以发现内存使用率降低了2%，但是再按KEY2将不再降低，说明“内存泄露”了。这就是前面提到的对一个指针多次申请内存，而之前申请的内存又没释放，导致的“内存泄露”。        按KEY_UP按键，可以切换当前操作内存（内部SRAM内存/外部SRAM内存/内部CCM内存），KEY1键用于更新p的内容，更新后的内容将重新显示在LCD模块上面。     实验详细手册和源码下载地址：http://www.openedv.com/posts/list/41586.htm  正点原子探索者STM32F407开发板购买地址：http://item.taobao.com/item.htm?id=41855882779