|
|
本帖最后由 沒有你 于 2020-1-16 00:25 編輯
之前發(fā)的帖子介紹了OSAL在STC8A8K64S4A12單片機(jī)的移植方式和簡(jiǎn)單使用，今天就簡(jiǎn)單介紹一下OSAL的內(nèi)存管理方式。在介紹之前，首先要了解單片機(jī)的棧和堆的區(qū)別。 一提到“�！�，很容易想到單片機(jī)的壓棧（PUSH）和出棧（POP）中用到的棧，這個(gè)棧是系統(tǒng)自動(dòng)分配和釋放的，具體分配多少棧空間，在程序編譯后就已經(jīng)確定不變了、而且無法更改。子函數(shù)內(nèi)部的局部變量定義和使用，也是系統(tǒng)自動(dòng)分配棧空間來保存變量，等函數(shù)執(zhí)行完，系統(tǒng)就會(huì)將棧空間收回。另一個(gè)“堆”，就沒有“�！蹦敲词煜ち耍�?yàn)槌鯇W(xué)者用單片機(jī)的時(shí)候，不會(huì)想到用堆的，也比較少接觸。“堆”就是用戶自己管理的內(nèi)存空間，一般都是定義一個(gè)大數(shù)組全局變量，再基于這個(gè)數(shù)組的內(nèi)存空間做管理。自己編寫類似malloc和free函來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存空間的申請(qǐng)和釋放，即需要用到空間，要自己申請(qǐng)，等空間使用周期結(jié)束了，還要自己釋放空間。
既然 “�！蹦敲捶奖悖上到y(tǒng)自動(dòng)申請(qǐng)，自動(dòng)釋放，肯定比自己去管理方便多了，那為什么還要“堆”呢？前面講過，“�！笨臻g的使用在程序編譯后就定死了，無法自己制定使用多大的棧，這樣就很不方便，尤其是在傳輸處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流的時(shí)候就很麻煩。那肯定有人想過，在函數(shù)里面定義一個(gè)很大的數(shù)組局部變量，那不就可以應(yīng)對(duì)各種各樣的數(shù)據(jù)流了。如果在函數(shù)里面定義很大的數(shù)組，系統(tǒng)在跑的使用，其他函數(shù)也會(huì)用到�？臻g哦，一旦�？臻g使用過大導(dǎo)致內(nèi)存溢出，那系統(tǒng)肯定奔潰了�！岸选本筒灰粯恿�，要用多少空間，完全可以動(dòng)態(tài)申請(qǐng)，需要多少，就申請(qǐng)多少。由于是在自己定義全局?jǐn)?shù)組變量的地址上管理內(nèi)存操作，不怕內(nèi)存溢出。
棧和堆的共同點(diǎn)和區(qū)別：
1、共同點(diǎn)：a：都是占用ram空間；
b：可使用最大ram空間在程序編譯后就確定不變了；
2、區(qū)別：�？臻g由系統(tǒng)自動(dòng)申請(qǐng)和釋放，堆空間由用戶自己申請(qǐng)和釋放。
接下來介紹一下OSAL的內(nèi)存管理，OSAL的內(nèi)存管理是堆管理，OSAL_Memory.c里面定義了一個(gè)很大的數(shù)組theHeap，內(nèi)存管理把堆空間分成兩個(gè)部分，第一個(gè)部分是針對(duì)小塊內(nèi)存的管理，第二部分是針對(duì)大塊內(nèi)存的管理。這樣做的好處是容易申請(qǐng)到連續(xù)的大空間，因?yàn)樾K內(nèi)存處理會(huì)使整個(gè)內(nèi)存空間碎片化，那么會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存空間不連續(xù)，不連續(xù)的空間是對(duì)申請(qǐng)大空間是非常不利的。在申請(qǐng)堆空間時(shí)，會(huì)自動(dòng)合并之前釋放的free塊，等到找到合適連續(xù)塊時(shí)，會(huì)自動(dòng)裁剪多余的塊空間，以免造成空間的浪費(fèi)。
下面列舉出已去除其他無關(guān)代碼和修改部分名稱后的內(nèi)存管理代碼，代碼處理有詳細(xì)注釋，還有測(cè)試過程。另外，代碼的測(cè)試是基于STC8A8K64S4A12單片機(jī)，ram空間為8K。
首先是相關(guān)宏和變量定義
//堆總空間
#define HEAP_SIZE 2048
#define HEAPMEM_IN_USE 0x8000
//堆空間結(jié)束位置
#define HEAP_LASTBLK_IDX ((HEAP_SIZE / HEAPMEM_HDRSZ) - 1)
//區(qū)分塊位置
#define HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT (HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET / HEAPMEM_HDRSZ)
//大塊起始位置
#define HEAPMEM_BIGBLK_IDX (HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT + 1)
//首部大小
#define HEAPMEM_HDRSZ sizeof(heapMemHdr_t)
//最小塊大小
#define HEAPMEM_MIN_BLKSZ (HEAPMEM_ROUND((HEAPMEM_HDRSZ * 2)))
//小塊大小
#define HEAPMEM_SMALL_BLKSZ (HEAPMEM_ROUND(16))
//默認(rèn)長(zhǎng)塊大小
#define HEAPMEM_LL_BLKSZ (HEAPMEM_ROUND(417) + (19 * HEAPMEM_HDRSZ))
//小塊總空間
#define HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET ((HEAPMEM_SMALL_BLKSZ * HEAPMEM_SMALL_BLKCNT) + HEAPMEM_LL_BLKSZ)
//大塊總空間
#define HEAPMEM_BIGBLK_SZ (HEAP_SIZE - HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET - HEAPMEM_HDRSZ*2)
//默認(rèn)小塊數(shù)量
#define HEAPMEM_SMALL_BLKCNT 8
// 調(diào)整申請(qǐng)內(nèi)存大小宏操作（如申請(qǐng)17字節(jié)空間，則調(diào)整為18字節(jié)）
#define HEAPMEM_ROUND(X) ((((X) + HEAPMEM_HDRSZ - 1) / HEAPMEM_HDRSZ) * HEAPMEM_HDRSZ)
typedef struct {
unsigned len : 15;//本快的長(zhǎng)度最大為2^16-1個(gè)字節(jié)，且申請(qǐng)空間的最小粒度為2個(gè)字節(jié)
unsigned inUse : 1;//標(biāo)志位表示本快是否已經(jīng)被使用
} heapMemHdrHdr_t;
typedef union {
//因此，當(dāng)halDataAlign\u t小于UINT16時(shí)，編譯器強(qiáng)制結(jié)構(gòu)對(duì)齊最大的元素，而不會(huì)在目標(biāo)上浪費(fèi)空間。
uint8 alignDummy;
uint16 val;//存儲(chǔ)上一塊長(zhǎng)度，in use信息
heapMemHdrHdr_t hdr;//快頭指針
} heapMemHdr_t;
static __no_init heapMemHdr_t all_heap[HEAP_SIZE];//定義堆空間數(shù)組
static __no_init heapMemHdr_t *ff1; //第一個(gè)空塊
static uint8 heapMemStat = 0x01; // 離散狀態(tài)標(biāo)志 0x01：踢出
說明，每個(gè)all_heap元素占用2個(gè)字節(jié)，即16個(gè)bit，最高位bit代表使用狀態(tài)，1表示非free，0表示free。剩下15個(gè)bit可以表示32768個(gè)byte堆空間，高達(dá)32K了，應(yīng)付51單片機(jī)是完全沒有問題的。定義了一個(gè)全局?jǐn)?shù)組變量all_heap作為堆總空間，大小為2048個(gè)byte�？梢愿鶕�(jù)單片機(jī)資源自行修改堆總空間大小，宏HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT 是小塊內(nèi)存和大塊內(nèi)存的分界數(shù)值。
下面是堆空間初始化函數(shù)
void heap_init(void)
{
all_heap[HEAP_LASTBLK_IDX].val = 0;//在堆的末尾設(shè)置一個(gè)空塊，以便與零進(jìn)行快速比較
ff1 = all_heap;//設(shè)置管理小塊空間的首部
ff1->val = HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET;
//設(shè)置劃分小塊空間與大塊空間的首部
all_heap[HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT].val = (HEAPMEM_HDRSZ | HEAPMEM_IN_USE);
// 設(shè)置管理大塊空間首部
all_heap[HEAPMEM_BIGBLK_IDX].val = HEAPMEM_BIGBLK_SZ; // Set 'len' & clear 'inUse' field.
}
下面是執(zhí)行heap_init()之后的內(nèi)存地址空間示例（初始地址是某次上電隨機(jī)出現(xiàn)的）
說明，第一個(gè)all_heap[0]存放這個(gè)小塊空間首部，這個(gè)首部有小塊空間剩余量，584表示可以使用584個(gè)byte的小塊空間，每次有小塊空間申請(qǐng)成功，這個(gè)剩余值就會(huì)減少。藍(lán)色標(biāo)注的是小塊內(nèi)存和大塊內(nèi)存的格擋板，位置為all_heap[292]，狀態(tài)標(biāo)為1表示已使用，這樣在小塊內(nèi)存在分配內(nèi)存的時(shí)候就不會(huì)合并到大塊內(nèi)存上面。all_heap[293]存放大塊空間首部，這個(gè)首部有大塊空間剩余量，1460表示可以使用1460個(gè)byte的大塊空間，每次有大塊空間申請(qǐng)成功，這個(gè)剩余值就會(huì)減少。堆末尾all_heap[1023]值被初始化為0，以便與零進(jìn)行快速比較。從0x036d-0x0b6c這2048個(gè)byte空間就是本次堆的全部空間大小。
下面是堆空間申請(qǐng)函數(shù)
void *heap_alloc(uint16 size)
{
heapMemHdr_t *prev = NULL;
heapMemHdr_t *hdr;
uint8 intState;
uint8 coal = 0;
size += HEAPMEM_HDRSZ; //給需要申請(qǐng)的空間分配一個(gè)管理首部
//進(jìn)入臨界區(qū)
//調(diào)整size大小，是空間對(duì)齊（與處理器和編譯器相關(guān)）
if ( sizeof( uint8 ) == 2 )//假設(shè)uint8占用2個(gè)字節(jié)
{
size += (size & 0x01);//假設(shè)為196個(gè)，則size為196；假設(shè)為197個(gè)，則size要198才滿足
}
else if ( sizeof( uint8 ) != 1 )
{
const uint8 mod = size % sizeof( uint8 );
if ( mod != 0 )
{
size += (sizeof( uint8 ) - mod);
}
}
//判斷小塊內(nèi)存空間是否足夠分配，否則向大塊內(nèi)存空間申請(qǐng)
if ((heapMemStat == 0) || (size <= HEAPMEM_SMALL_BLKSZ))
{
hdr = ff1;//小塊內(nèi)存，從ff1開始查找
}
else
{
hdr = (all_heap + HEAPMEM_BIGBLK_IDX);//從大塊開始查找
}
//開始迭代的尋找適合的內(nèi)存空間
do
{
if ( hdr->hdr.inUse )//遇到非free塊
{
coal = 0;//告訴下一塊，本塊非free
}
else //遇到free塊
{
if ( coal != 0 )//上一塊是free塊
{
prev->hdr.len += hdr->hdr.len;//兩個(gè)free塊合并相鄰內(nèi)存空間
if ( prev->hdr.len >= size ) //合并后的大小滿足size
{
hdr = prev; //得到塊的地址
break;
}
}
else //上一塊是非free塊
{
if ( hdr->hdr.len >= size )//一個(gè)快的大小就可以滿足情況，分配，跳出循環(huán)返回
{
break;
}
coal = 1;//否則，標(biāo)記coal為1，告訴下一塊，本快是free的
prev = hdr; //保存當(dāng)前內(nèi)存地址
}
}
//(uint8 *)hdr這個(gè)操作使本來2個(gè)字節(jié)，強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成1個(gè)字節(jié)
hdr = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + hdr->hdr.len);//經(jīng)典malloc實(shí)現(xiàn)方式，迭代下一塊
if ( hdr->val == 0 )//已經(jīng)到達(dá)堆底部（初始化時(shí)，已經(jīng)讓堆底為零，方便識(shí)別）
{
hdr = NULL;//空指針，表示找不到合適size塊
break;
}
}while(1);
if ( hdr != NULL )//已經(jīng)找到合適size塊
{
uint16 tmp = hdr->hdr.len - size;//表示塊的大小大于請(qǐng)求的大小時(shí)，為了不浪費(fèi)空間，還要把塊切開
//確定是否滿足拆分閾值
if ( tmp >= HEAPMEM_MIN_BLKSZ )//剩下的大小可以單獨(dú)成為一個(gè)free塊
{
heapMemHdr_t *next = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + size);
next->val = tmp; // 告訴后一個(gè)塊自己的信息
hdr->val = (size | HEAPMEM_IN_USE); // value代表前一塊的大小和使用情況，這樣相當(dāng)于雙向鏈表
}
else
{
hdr->hdr.inUse = TRUE; //標(biāo)記本塊已經(jīng)被使用
}
if ((heapMemStat != 0) && (ff1 == hdr))
{
ff1 = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + hdr->hdr.len);
}
hdr++;
}
//退出臨界區(qū)
return (void *)hdr;
}
其中，size是申請(qǐng)空間的多少，每次申請(qǐng)空間為1個(gè)byte。比如要申請(qǐng)10個(gè)元素uint16類型的數(shù)組，代碼可以寫：
uint16 *test；
test = (uint16*)heap_alloc(20);
下面寫一段代碼來測(cè)試heap_alloc函數(shù)
heap_init(); //初始化堆
uint8 *test1;
uint16 *test2;
uint32 *test3;
uint8 *test4;
test1 = (uint8 *)heap_alloc(1);
test2 = (uint16 *)heap_alloc(2);
test3 = (uint32 *)heap_alloc(4);
test4 = (uint8 *)heap_alloc(1);
下面是測(cè)試代碼運(yùn)行后申請(qǐng)空間情況示例（地址：0x036d-0x037e）
說明，灰色標(biāo)識(shí)前后塊信息（非free態(tài)），里面的數(shù)值是剩余byte空間，本次測(cè)試執(zhí)行后，總共用去16個(gè)byte（地址0x036d-0x037e）空間，其中8個(gè)byte用于剩余頭部信息存儲(chǔ)，8個(gè)bytes才是有效空間。每個(gè)申請(qǐng)內(nèi)存塊都帶有前后信息塊，借鑒了雙向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。568沒有顏色的表示free態(tài)。
下面是堆空間釋放函數(shù)
void heap_free(void *ptr)
{
//如果heapMemHdr_t為2個(gè)字節(jié)，則下面指針減去1，物理地址會(huì)改變2
heapMemHdr_t *hdr = (heapMemHdr_t *)ptr - 1;//獲取該內(nèi)存空間首部
uint8 intState;
//進(jìn)入中斷臨界
hdr->hdr.inUse = FALSE; //標(biāo)記使用狀態(tài)為：未使用
if (ff1 > hdr)
{
ff1 = hdr;//調(diào)整ff1位置
}
//退出中斷臨界
}
比如執(zhí)行heap_free(test1)，傳入地址為0x036f，執(zhí)行過程中會(huì)將0x036d的狀態(tài)標(biāo)為free態(tài)，也就是釋放掉堆占用了，584那塊會(huì)由灰色變成無色。那么，下次申請(qǐng)空間的時(shí)候，可以申請(qǐng)使用這塊內(nèi)存（地址：0x036d-0x037e）
上面的示例是小內(nèi)存的管理過程，大內(nèi)存的管理也是一樣的過程，這里就不列舉了。
在實(shí)際項(xiàng)目中，搭載TI OSAL的ble芯片或者zibee芯片運(yùn)行都非常穩(wěn)定，這也要?dú)w功于OSAL高效可靠的內(nèi)存管理。非常值得研究和借鑒！
|
評(píng)分
-
查看全部評(píng)分
|
