论述μC/OS-II实时操作系统内存管理的改进

　　μC/ OSII 内核是一个抢先式内核，可以进行任务间切换，也可以让一个任务在得不到某个资源时休眠一定时间后再继续运行。它提供了用于共享资源管理的信号灯，用于进程通信的消息队列和邮箱，甚至提供了存储器管理机制，是一个比较全面的系统。笔者就μC/ OSII 的内存管理系统提出了一种改进的方法。

　　1 内存管理不足之处的分析

　　在μC/ OSII 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。为了便于内存的管理，在μC/ OSII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。分区中的各大小相同的内存块的头几个字节用来存储一个指针，指向下一个空闲内存块，内存控制块的OSMemFreeList 域指向空闲内存块链表的个空闲内存块。

　　在分析许多μC/OS-II的应用实例中发现，任务栈空间和内存分区的创建采用了定义全局数组的方法，即定义一维或二维的全局数组，在创建任务或内存分区时，将数组名作为内存地址指针传递给生成函数。这样实现起来固然简单，但是不够灵活有效。

　　编译器会将全局数组作为未初始化的全局变量，放到应用程序映像的数据段。数组大小是固定的，生成映像后不可能在使用中动态地改变。定义小于了任务栈溢出，会造成系统崩溃。对于内存分区，在不知道系统初始化后给用户留下了多少自由内存空间的情况下，很难定义内存分区所用数组的大小。利用全局数组来分配内存空间是很不合理的。

　　2 解决问题的方法

　　为了能清楚掌握自由内存空间的情况，避免使用全局数组分配内存空间，关键是要知道整个应用程序在编译、链接后代码段和数据段的大小，在目标板内存中是如何定位的，以及目标板内存大小。对于一条，系统编程人员当然是清楚的，条编译器会给出，而如何定位是由编程人员根据具体应用环境在系统初始化确定的。系统初始化时，如果能正确安排代码段和数据段的位置，就能清楚地知道用户可以自由使用的内存空间起始地址。用目标板内存端地址减去起始地址，就是这一自由空间的大小。

　　3 举例描述该方法的实现

　　下面以在CirrusLogic公司的EP7211微处理器上使用μC/OS-II为例，描述该方法的实现过程。假设基于μC/OS-II的应用程序比较简单，以简化问题的阐述。

　　3.1 芯片初始化过程和链接器的功能

　　EP7211采用了RISC体系结构的微处理器核ARM&TDMI，该芯片支持内存管理单元MMU。系统电复位后，从零地址开始执行由汇编语言编写的初始化代码。之后创建中断处理程序使用的栈空间，跳转到C程序的入口执行系统C程序。

　　对于应用程序，ARM软件开发包括提供的ARM链接器会产生只读段（read-only section RO）、读写段（read-write section RW）和零初始化段（zero-initialized section ZI）。每种段可以有多个，对较简单程序一般各有一个。

　　一般嵌入式应用，程序链接定位后生成bin文件，即地址空间的代码，因此上述符号的值表示物理地址。对于简单程序，可在编译链接时指定RO和RW的基础址，帮助链接器计算上述符号的值。对于较复杂的程序可以由scatter描述文件来定义RO和RW的基地址。

　　3.2 具体实例及说明

　　所谓C环境初始化，就是利用上述符号初始化RW段和ZI段，以使后面使用全局变量的C程序正常运行。下面是初始化部分的实例：

　　ENTRY ；应用程序入口，应该位于内存的零地址。

　　；中断向量表

　　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

　　；当用户使用除复位中断以外的几个中断时，应将跳转地址换成中断处理程序的入口地址。

　　Undefined_Handler

　　B Undefined_Handler

　　SWI_Handler

　　B SWI_Handler

　　Prefetch_Handler

　　B Prefech_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

　　；初始化微处理器寄存器，以使其正常工作。

　　……

　　；启动MMU，进入虚拟内存管理。

　　……

　　；初始化C环境。

　　IMPORT |Image$$RO$$Limit|

　　IMPORT |Image$$RW$$Base|

　　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段结束后的首地址到系统RAM端之间的内存就是用户可以自由使用的空间，也就是说Image$$ZI$$Limit是这一内容空间的起始地址。

　　如果系统使用了定时器，还可在此之后创建定时器中断的栈空间，假设其大小也为1024个字节。此时自由内存空间的起始地址变为：

　　Image$$ZI$$Limit+1024×4

　　在初始化代码的将其作为一个参数传递到C程序入口，代码如下：

　　LDR r0,=|Image$$ZI$$Limit|

　　；创建IRQ栈空间。

　　……

　　；增加地址指针。

　　ADD r0,r0,#1024

　　;创建FIQ栈空间。

　　……

　　；增加地址指针。

　　ADD r0,r0,#1024

　　;创建SVC栈空间。

　　……

　　；增加地址指针。

　　ADD r0,r0,#1024

　　；创建定时器中断栈空间。

　　……

　　；增加地址指针。

　　ADD r0,r0,#1024

　　;导入C代码入口点。

　　IMPORT C_ENTRY

　　；跳转到C代码，此时r0作为入口参数。

　　B C_ENTRY

　　3.3 对实例的总结

　　在C程序中，上述起始地址可以作为内存分区创建函数OSMemCreate（）的内存地址参数，内存分区的值就是目标板RAM的端地址减去起始地址的值。图1显示了RO段在RAM中的内存分布情况，这种情况下，程序映像一般被保存目标板内存中。系统从闪存启动后，将RO段拷贝到RAM中继续执行。图2显示了RO段在闪存中，RW和ZI段在RAM中的情况。这种情况下，系统启动和代码的执行都发生在闪存中。

　　用户知道起始地址的值和自由内存的大小后，就可以清楚、灵活地建立和使用内存分区了。可以根据具体需要建立一些大小不同的内存分区，任务栈、事件控制块和消息队列都可以在这些内存分区中分配。系统可以非常清晰地掌握内存使用情况。