一種嵌入式系統的內存分配方案

1 嵌入式系統中對內存分配的要求

①快速性。

嵌入式系統中對實時性的保證，要求內存分配過程要盡可能地快。因此在嵌入式系統中，不可能采用通用操作系統中復雜而完善的內存分配策略，一般都采用簡單、快速的內存分配方案。當然，對實性要求的程序不同，分配方案也有所不同。例如，VxWorks采用簡單的最先匹配如立即聚合方法;VRTX中采用多個固定尺寸的binning方案。

②可靠性。

也就是內存分配的請求必須得到滿足，如果分配失敗可能會帶來災難性的后果。嵌入式系統應用的環境千變萬化，其中有一些是對可靠性要求極高的。比如，汽車的自動駕駛系統中，系統檢測到即將撞車，如果因為內存分配失敗而不能相應的操作，就會發生車毀人亡的事故，這是不能容忍的。

③高效性。

內存分配要盡可能地少浪費。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無限大。一方面，嵌入式系統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限的。

2 靜態分配與動態分配

究竟應用使用靜態分配還是動態分配，一直是嵌入式系統設計中一個爭論不休的總是。當然，最合適的答案是對于不同的系統采用不同的方案。如果是系統對于實時性和可靠性的要求極高(硬實時系統)，不能容忍一點延時或者一次分配失敗，當然需要采用靜態分配方案，也就是在程序編譯時所需要的內存都已經分配好了。例如，火星探測器上面的嵌入式系統就必須采用靜態分配的方案。

另外，WindRiver公司的一款專門用于汽車電子和工業自動化領域的實時操作系統 OSEKWorks中就不支持內存的動態分配。在這樣的應用場合，成本不支持內存的動態分配。在這樣的應用場合，成本不是優先考慮的對象，實時性和可靠性才是必須保證的。當然，采用靜態分配一個不可避免的總是就是系統失去了靈活性，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，因為一旦出現沒有考慮到的情況，系統就無法處理。

這樣的分配方案必須導致很大的浪費，因為內存分配必須按照最壞情況進行最大的配置，而實際上在運行中可能使用的只是其中的一小部分;而且在硬件平臺不變的情況下，不可能靈活地為系統添加功能，從而使得系統的升級變得困難。 大多數的系統是硬實時系統和軟實時系統的綜合。也就是說，系統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 Monotoin Scheduling)理論，這樣的系統必須采用搶先式任務調度;而在這樣的系統中，就可以采用動態內存分配來滿足那一部分可靠性和實時性要求不那么高的任務。采用動態內存分配的好處就是給設計者很大的靈活性，可以方便地將原來運行于非嵌入式操作系統的程序移植到嵌入式系統中，比如，許多嵌入式系統中使用的網絡協議棧。如果必須采用靜態內存分配，移植這樣的協議棧就會困難得多。另外，采用動態內存分配可以使設計者在不改變基本的硬件平臺的情況下，比較靈活地調整系統的功能，在系統中各個功能之間作出權衡。例如，可以在支持的VLAN數和支持的路由條目數之間作出調整，或者不同的版本支持不同的協議。

說到底，動態內存分配給了嵌入式系統的程序設計者在比較少的限制和較大的自由。因此，大多數實時操作系統提供了動態內存分配接口，例如malloc和free 函數。

3 RTOS提供的內存分配接口

不同的RTOS由于其不同的定位，采用不同的內存分配策略。例如VRTX中，采用類似于GNU C中由Doug Lea開發的內存分配方案，即Binning算法，系統內存被分成了一些固定尺寸的內存塊的算法，系統內存被分成了一些固定尺寸的內存塊的集合。這種方法的優點是查找速度快而且不會產生內存碎片。但是，它的缺點也很明顯，就是容易造成浪費，因為內存塊的尺寸只有有限個，分配時只能取較大的內存塊來滿足一個較小的需求，累積起來，浪費就很大了;而且操作系統管理這樣一個內存分配表也是一個很大的負擔。

下面詳細介紹一下我們常用的RTOS——美國風河公司(WindRiver)的VxWorks中采用的內存分配策略。

VxWorks的前身就是VRTX，據說VxWorks的名稱來自make vrtx work。 VxWorks的內存管理函數存在于2個庫中;memPartLib(緊湊的內存分區管理器)和memLib(完整的內存分區管理器)。前者 (memPartLib)提供的工具用于從內存分區中分配內存塊。該庫包含兩類程序，一類是通用工具創建和管理內存分區并從這些分區中分配和管理內存塊; 另一類是標準的malloc/free程序提供與內存分區的接口。系統內存分區(其ID為memSysPartId是一個全局變量)在內核初始化時由 usrRoot調用memInit創建。其開始地址為RAM中緊接著VxWorks的BSS段之后，大小為所有空閑內存，如圖1所示。

當創建其它分區時，一般需要先調用malloc從系統內存分區中分配一段內存才能創建。內存分區的結構定義為mem_part，包含1個對象標記，1個雙向鏈表管理空閑塊，1個信號量保護該分區及一些統計信息，如總尺寸、最大塊尺寸、調試選項、已分配的塊數、已分配的尺寸等。其語句如下： typedef struct mem_part { OBJ_CORE objCore; /*對象標志*/ DL-LIST freeList; /*空閑鏈表*/ SEMAPHORE sem; /*保護分區的信號量*/ Unsigned totalWords; /*分區中字(WORD)數*/ Unsigned minBlockWords; /*以字為單位的最小塊尺寸*/ Unsigned options; /*選項，用于調試或統計*/ /*分配統計*/ unsigned curBlocksAllocated; /*當前分配的塊數*/ unsigned curWorkdAllocated; /*當前分配的字數*/ unsigned cumBlockAllocated; /*累積分配的塊數*/ unsigned cumWordsAllocated; /*累積分配的字數*/ }PARTITION; 一般系統中只有1個內存分區，即系統分區，所有任務所需要的內存直接調用malloc從其中分配。

分配采用 First-Fit算法(注意這種算法容易導致大量碎片)，通過free釋放的內存將被聚合以形成更大的空閑塊。這就是VxWorks的內存分配機理。分配時可以要求一定的對齊格式。注意，不同的 CPU架構有不同的對齊要求。為了優化性能，malloc返回的指針是經過對齊的，為此的開銷隨構不同而不同。例如，68K為4字節對齊，開銷8字節;SPARC為8字節對齊，開銷12字節;MIPS為16字節對齊，開銷12字節;I960為16字節對齊，開銷16字節。