摘要：嵌入式系統(tǒng)的內存管理機制必須滿足實時性和可靠性的要求。本文以開源的的操作系統(tǒng)RTEMS為例，介紹嵌入式系統(tǒng)中內存管理的要求、存在的問題以及解決的策略。 關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 內存管理 靜態(tài)分配 動態(tài)分配 引言 內存管理機制是嵌入式系統(tǒng)研究中的一個重點和難點的問題，它必須滿足以下幾個特性： ①實時性。從實時性的角度出發(fā)，要求內存分配過程要盡可能地快。因此，在嵌入式系統(tǒng)中，不可能采用通用操作系統(tǒng)的一些復雜而完善的內存分配策略，一般沒有段頁式的虛存管理機制；而是采用簡單、快速的內存分配方案，其分配方案也因程序對實時性的要求而異。例如，VxWorks系統(tǒng)采用簡單的“首次適應，立即聚合”方法；VRTX中采用多個固定尺寸存儲塊的binning方案。 ②可靠性。嵌入式系統(tǒng)應用的環(huán)境千變萬化，在有些特定情況下，對系統(tǒng)的可靠性要求極高，內存分配的請求必須得到滿足，如果分配失敗則可能會帶來災難性的后果。比如，飛機的燃油檢測系統(tǒng)。在飛機飛行過程中，如果燃料發(fā)生泄漏，系統(tǒng)應該立即檢測到，并發(fā)出相應的警報等待飛行員及時處理。如果因為內存分配失敗而不能相應地操作，就可能發(fā)生機毀人亡的事故。 ③高效性。內存分配要盡可能地減少浪費。不可能為了保證滿足所有的內存分配請求而將內存配置得很大。一方面，嵌入式系統(tǒng)對成本的要求使得內存在其中只是一種很有限的資源；另一方面，即使不考慮成本的因素，系統(tǒng)硬件環(huán)境有限的空間和有限的板面積決定了可配置的內存容量是很有限的。 針對以上三個約束條件，市場上主流的嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks、嵌入式Linux等均提出了一套有效的解決方案；但是，這些系統(tǒng)只提供了應用開發(fā)的接口，其底層的實現(xiàn)方案不可見。本文以開源的嵌入式操作系統(tǒng)RTEMS為例，分析了嵌入式系統(tǒng)內存管理所面臨的問題，研究了其底層實現(xiàn)的解決方案。一般的嵌入式系統(tǒng)中最基本的內存管理方案有兩種——靜態(tài)分配和動態(tài)分配。 1 靜態(tài)分配與動態(tài)分配 靜態(tài)分配是指在編譯或鏈接時將程序所需的內存空間分配好。采用這種分配方案的程序段，其大小一般在編譯時就能夠確定；而動態(tài)分配是指系統(tǒng)運行時根據(jù)需要動態(tài)地分配內存。這兩種策略的選取一直是嵌入式系統(tǒng)設計中一個令人頭痛的問題。 一般的嵌入式系統(tǒng)都支持靜態(tài)分配，因為像中斷向量表、操作系統(tǒng)映像這類的程序段，其程序大小在編譯和鏈接時是可以確定的。而是否支持動態(tài)分配主要基于兩個方面的考慮：首先是實時性和可靠性的要求，其次是成本的要求。對于實時性和可靠性要求極高的系統(tǒng)（硬實時系統(tǒng)），不允許延時或者分配失效，必須采用靜態(tài)內存分配，如航天器上的嵌入式系統(tǒng)多采用靜態(tài)內存分配。除了基于成本的考慮外，用于汽車電子和工業(yè)自動化領域的一些系統(tǒng)也沒有動態(tài)內存分配，比如WindRiver著名的OSEKWorks系統(tǒng)。然而，僅僅采用靜態(tài)分配，使系統(tǒng)失去了靈活性。必須在設計階段就預先知道所需要的內存并對之作出分配；必須在設計階段就預先考慮到所有可能的情況，因為一旦出現(xiàn)沒有考慮到的情況，正在運行的系統(tǒng)就無法處理。這樣的分配方案必然導致很大的浪費。因為內存分配必須按照最壞情況進行最大的配置，而實際運行時很可能只使用其中的一小部分；而且在硬件平臺不變的情況下，不可能靈活地為系統(tǒng)添加功能，從而使得系統(tǒng)的升級變得困難。 雖然動態(tài)內存分配會導致響應和執(zhí)行時間不確定、內存碎片等問題，但是它的實現(xiàn)機制靈活，給程序實現(xiàn)帶來極大的方便，有的應用環(huán)境中動態(tài)內存分配甚至最必不可少的。比如，嵌入式系統(tǒng)中使用的網(wǎng)絡協(xié)議棧，在特定的平臺下，為了比較靈活地調整系統(tǒng)的功能，在系統(tǒng)中各個功能之間作出權衡，必須支持動態(tài)內存分配。例如，為了使系統(tǒng)能夠及時地在支持的VLAN數(shù)和支持的路由條目數(shù)之間作出調整，或者為了使不同的版本支持不同的協(xié)議，類似于malloc和free這類的函數(shù)是必不可少的。 大多數(shù)的系統(tǒng)是硬實時和軟實時綜合。系統(tǒng)中的一部分任務有嚴格的時限要求，而另一部分只是要求完成得越快越好。按照RMS（Rate Monotonous Scheduling）理論，這樣的系統(tǒng)必須采用搶先式任務調度；而在這樣的系統(tǒng)中，就可以采用動態(tài)內存分配來滿足部分對可靠性和實時性要求不高的任務。采用動態(tài)內存分配的最大好處就是給設計得很大的靈活性，可以方便地將原來運行于非嵌入式操作系統(tǒng)的程序移植到嵌入式系統(tǒng)中。 2 RTEMS內存管現(xiàn)機制 RTEMS（The Rael Time Executive for Multi-processor Systems）是一個基于多處理器的，能夠運行在不同處理器平臺上的嵌入式操作系統(tǒng)。其應用領域十分廣泛，包括航空航天設備（導彈、飛機控制系統(tǒng)），網(wǎng)絡設備（路由器、交換 機），掌上設備（電子閱讀器、PDA）等。針對不同領域應用的需求差異，該系統(tǒng)的內存管理提供了比較完善的機制。同其它常見的嵌入式系統(tǒng)一樣，RTEMS不支持虛擬存儲管理，不支持復雜的段頁式的保護機制，而采用線性編址方式，即邏輯地址和物理地址一一對應的平面模式，同時支持靜態(tài)和動態(tài)兩種管理模式。在系統(tǒng)正常運行時，內存中的映像如圖1所示。 圖1中假設內破大小為2MB。在特定的應用中，中斷表和RTEMS的映像所占用的內存空間大小是個定值，采用靜態(tài)的內存分配機制，在編譯時就可以確定其大小。堆棧區(qū)和系統(tǒng)內存區(qū)則采取動態(tài)分配機制，在系統(tǒng)運行時可以根據(jù)需要自動調整其大小。 3 RTEMS動態(tài)內存管理 RTEMS動態(tài)內存管理機制提供兩種分區(qū)機制，Partition和Region。 Partition分區(qū)管理用于固定大小內存塊的分配，Region分區(qū)管理 用于可變大小內存塊的分配。 3．1 固定長度分區(qū)管理 RTEMS定義的固定長度的分區(qū)（Partition）是一段連續(xù)的內存空間。它可以被劃分成固定長度的內存塊（buffer），允許應用在創(chuàng)建分區(qū)時配置分區(qū)的大小和內存塊的大小，要求分區(qū)的大小是內存塊的整數(shù)倍。例如，應用創(chuàng)建一個大小為1024字節(jié)的分區(qū)，內存塊為256字節(jié)，如圖2所示。 創(chuàng)建分區(qū)時，RTEMS根據(jù)分區(qū)和內存塊的大小，形成一個空閑內存塊的雙向鏈表。當從分區(qū)中申請內存塊時，按照空閑內存塊鏈表的順序分配。如果空閑空間不足，調用者不會被阻塞，而是獲得一個空指針，以確保申請內存調用的時間確定性。釋放內存塊時，將該內存塊掛在空閑內存塊鏈表的鏈尾。分區(qū)被刪除時將釋放出這段連續(xù)的內存空間。 RTEMS的分區(qū)管理機制提供以下API： rtems_partition_create 創(chuàng)建一個分區(qū) rtems_partition_ident 獲得分區(qū)標識號 rtems_partition_deldet1 刪除一個分區(qū) rtems_partition_get_buffer 申請一個內存塊 rtems_partition_return_buffer 釋放一個內存塊 RTEMS的固定長度分區(qū)管理算法有以下特色： ①系統(tǒng)創(chuàng)建的分區(qū)數(shù)目可在運行時動態(tài)增減。 ②內存塊的控制結構所占用的內存空間在該內存塊被分配出去時會變?yōu)榭捎每臻g，不會影響該內存塊實際可用的大小；而在回收時控制塊會自動生成，這一點使得分區(qū)管理的系統(tǒng)開銷對用戶的影響為零。 ③在分區(qū)的內存塊中還可以再定義分區(qū)，這就意味著內存塊可以很容易地被分為子內存塊，提高了分區(qū)管理的靈活性。 3．2 可變長度分區(qū)管理 RTEMS定義的可變長度的分區(qū)（Region）是一段連續(xù)的、大小可配置的內存空間，可以被劃分成很多大小不一的段（Segment）。創(chuàng)建分區(qū)時要指定一個分配單元，稱為頁。段的大小是頁的倍數(shù)，如果應用程序在申請段時，給出的大小不是頁的倍數(shù)，內核會將其調整為頁的倍數(shù)。例如，應用從而大小為512個字節(jié)的分區(qū)中申請一個大小為700字節(jié)的段，那么，內核實際分配的段大小為1024字節(jié)。 創(chuàng)建Region分區(qū)時，RTEMS根據(jù)分區(qū)大小和頁小建立分區(qū)的控制結構和段的控制結構。在創(chuàng)建之初，只有一個空閑段，其大小為分區(qū)的大小減去控制結構的內存開銷。隨著應用申請、釋放段的操作不斷進行，分區(qū)中形成用雙向鏈表鏈接起來的空閑段鏈。當從分區(qū)中分配段時，依據(jù)首次適應算法（即第一個滿足要求的空閑段就作為分配結果）查看空閑段鏈中是否存在合適的段。當把段釋放回分區(qū)時，該段被掛在空閑段鏈的鏈尾，并且如果空閑段鏈中有與此段相鄰的段，則將其合并成一個更大的空閑段。RTEMS在段的控制塊中設置一個標志位表示其被使用的情況。標志位為1表示該段正被使用，標志位為0表示該段空閑。圖3是一個分區(qū)中具有兩個空閑段和一個正被使用的段的示例。 RTEMS的分區(qū)管理機制提供以下API： rtems_region_create 創(chuàng)建一個分區(qū) rtems_region_ident 獲得分區(qū)的標識 rtems_region_delete 刪除一個分區(qū) rtems_region_extend 擴展一個分區(qū) rtems_region_get_segment 申請一個段 rtems_region_return_segment 釋放一個段 RTEMS的可變長度分區(qū)管理算法有以下特色： ①系統(tǒng)創(chuàng)建的分區(qū)數(shù)目可在運行時動態(tài)增加； ②段的控制結構在該段被分配出去后會減小，而在回收到控制快會自動恢復大小。這一點使得分區(qū)管理的系統(tǒng)開銷降低到最小； ③時應用程序發(fā)現(xiàn)一個分區(qū)的內存空間不夠使用時，可以調用retms_region_extend函數(shù)（API）擴展該分區(qū)的大小。 ④當程序要求從某個分區(qū)獲取分段而未成功時，可以立即返回，也可以采取多種等待策略。等待策略包括優(yōu)先級等待、FIFO等待。在FIFO等待策略中又可分為有限等待和無限等待。 在動態(tài)可變長度內存管理的基礎上，RTEMS還提供了Malloc/free等標準的C函數(shù)。在使用Malloc/free等函數(shù)時應注意以下幾個方面的限制： ①因為內存分區(qū)是一種臨界資源，由信號量保護，使用Malloc會導致當前調用掛起，因此它不能用于中斷服務程序。 ②因為進行內存分配需要執(zhí)行查找算法，其執(zhí)行時間與系統(tǒng)當前的內存使用情況相關，具有不確定性，因此對于有規(guī)定時限的操作是不適宜的。 ③由于采用簡單的首次適應算法，容易導致系統(tǒng)中存在大量的內存碎片，降低內存使用效率和系統(tǒng)性能。 4 結論 為了使嵌入式系統(tǒng)能夠在不同的平臺上進行移植，使之使用與各種應用環(huán)境，嵌入式系統(tǒng)內存管理方案在充分考慮實時性、可靠性和高效性的基礎上，應該提供比較豐富的管理機制。本文分析了嵌入式系統(tǒng)中內存管理的要求、存在的問題，介紹了靜態(tài)和動態(tài)兩種分配策略；以開源的RTEMS系統(tǒng)為例，介紹了嵌入式系統(tǒng)中常用的內存管理方法，并對各種方法的特點進行了闡述，在實際應用時，可根據(jù)需求作出相應的選擇。