μC/OS-II實時操作系統內存管理的改進

摘要：分析了μC/OS-II實時操作系統在內存管理上存在的不足，提出了改進方法，通過一個具體實例描述了該方法的實現。

關鍵詞：實時操作系統 內存管理 微處理器 鏈接器

μC/OS-II是一種開放源碼的實時操作系統，具有搶先式、多任務的特點，已被應用到眾多的微處理器上。雖然該內核功能較多，但還是有不甚完善的地方。筆者在分析使用中發現，內核在任務管理(包括任務調度、任務間的通信與同步)和中斷管理上是比較完善的，具有可以接受的穩定性和可靠性;但在內存管理上顯得過于簡單，內存分區的建立方式有不合理之處。

1 內存管理不足之處的分析

在分析許多μC/OS-II的應用實例中發現，任務棧空間和內存分區的創建采用了定義全局數組的方法，即定義一維或二維的全局數組，在創建任務或內存分區時，將數組名作為內存地址指針傳遞給生成函數。這樣實現起來固然簡單，但是不夠靈活有效。

編譯器會將全局數組作為未初始化的全局變量，放到應用程序映像的數據段。數組大小是固定的，生成映像后不可能在使用中動態地改變。對于任務棧空間來說，數組定義大了會造成內存浪費;定義小于了任務棧溢出，會造成系統崩潰。對于內存分區，在不知道系統初始化后給用戶留下了多少自由內存空間的情況下，很難定義內存分區所用數組的大小。總之利用全局數組來分配內存空間是很不合理的。

另外，現在的μC/OS-II只支持固定大小的內存分區，容易造成內存浪費。μC/OS-II將來應該被改進以支持可變大小的內存分區。為了實現這一功能，系統初始化后能清楚地掌握自由內存空間的情況是很重要的。

2 解決問題的方法

為了能清楚掌握自由內存空間的情況，避免使用全局數組分配內存空間，關鍵是要知道整個應用程序在編譯、鏈接后代碼段和數據段的大小，在目標板內存中是如何定位的，以及目標板內存大小。對于最后一條，系統編程人員當然是清楚的，第一條編譯器會給出，而如何定位是由編程人員根據具體應用環境在系統初始化確定的。因此，系統初始化時，如果能正確安排代碼段和數據段的位置，就能清楚地知道用戶可以自由使用的內存空間起始地址。用目標板內存最高端地址減去起始地址，就是這一自由空間的大小。

3 舉例描述該方法的實現

下面以在CirrusLogic公司的EP7211微處理器上使用μC/OS-II為例，描述該方法的實現過程。假設基于μC/OS-II的應用程序比較簡單，以簡化問題的闡述。

3.1 芯片初始化過程和鏈接器的功能

EP7211采用了RISC體系結構的微處理器核ARMTDMI，該芯片支持內存管理單元MMU。系統電復位后，從零地址開始執行由匯編語言編寫的初始化代碼。零地址存放著中斷向量表，第一個是復位中斷，通過該中斷向量指向的地址可以跳轉到系統初始化部分，

執行微處理器寄存器初始化。如果使用虛擬內存，則啟動MMU，然后是為C代碼執行而進行的C環境初始化。之后創建中斷處理程序使用的棧空間，最后跳轉到C程序的入口執行系統C程序。

對于應用程序，ARM軟件開發包括提供的ARM鏈接器會產生只讀段(read-only section RO)、讀寫段(read-write section RW)和零初始化段(zero-initialized section ZI)。每種段可以有多個，對較簡單程序一般各有一個。

只讀段就是代碼段，讀寫段是已經初始化的全局變量，而零初始化段中存放未初始化的全局變量。鏈接器同時提供這三種段的起始地址和結束地址，并用已定義的符號表示。描述如下：Image$$RO$$Base表示只讀段的起始地址，Image$$RO$$Limit表示只讀段結束后的首地址;Image$$Limit表示讀寫段結束后的首地址;Image$$ZI$$Base表示零初始化段的起始地址，Image$$ZI$$Limit表示零初始化段結束后的首地址。

一般嵌入式應用，程序鏈接定位后生成bin文件，即絕對地址空間的代碼，因此上述符號的值表示物理地址。對于簡單程序，可在編譯鏈接時指定RO和RW的基礎址，幫助鏈接器計算上述符號的值。對于較復雜的程序可以由scatter描述文件來定義RO和RW的基地址。

3.2 具體實例及說明

所謂C環境初始化，就是利用上述符號初始化RW段和ZI段，以使后面使用全局變量的C程序正常運行。下面是初始化部分的實例：

ENTRY ;應用程序入口，應該位于內存的零地址。

;中斷向量表

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

;當用戶使用除復位中斷以外的幾個中斷時，應將跳轉地址換成中斷處理程序的入口地址。

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

;初始化微處理器寄存器，以使其正常工作。

……

;啟動MMU，進入虛擬內存管理。

……

;初始化C環境。

IMPORT |Image$$RO$$Limit|

IMPORT |Image$$RW$$Base|

IMPORT |Image$$ZI$$Base|

IMPORT |Image$$ZI$$Limit|

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段結束后的首地址到系統RAM最高端之間的內存就是用戶可以自由使用的空間，也就是說Image$$ZI$$Limit是這一內容空間的起始地址。

如果系統使用了 FIQ和IRQ中斷，在ZI段之后可以創建這兩種中斷的棧空間，然后是操作系統使用的SVC模式下的棧空間，假設每一個棧大小為1024個字節。如果系統使用了定時器，還可在此之后創建定時器中斷的棧空間，假設其大小也為1024個字節。此時自由內存空間的起始地址變為：

Image$$ZI$$Limit+1024×4

在初始化代碼的最后將其作為一個參數傳遞到C程序入口，代碼如下：

LDR r0,=|Image$$ZI$$Limit|

;創建IRQ棧空間。

……

;增加地址指針。

ADD r0,r0,#1024

;創建FIQ棧空間。

……

;增加地址指針。

ADD r0,r0,#1024

;創建SVC棧空間。

……

;增加地址指針。

ADD r0,r0,#1024

;創建定時器中斷棧空間。

……

;增加地址指針。

ADD r0,r0,#1024

;導入C代碼入口點。

IMPORT C_ENTRY

;跳轉到C代碼，此時r0作為入口參數。

B C_ENTRY

3.3 對實例的總結

在C程序中，上述起始地址可以作為內存分區創建函數OSMemCreate()的內存地址參數，內存分區的最大值就是目標板RAM的最高端地址減去起始地址的值。圖1顯示了RO段在RAM中的內存分布情況，這種情況下，程序映像一般被保存目標板內存中。系統從閃存啟動后，將RO段拷貝到RAM中繼續執行。圖2顯示了RO段在閃存中，RW和ZI段在RAM中的情況。這種情況下，系統啟動和代碼的執行都發生在閃存中。

用戶知道起始地址的值和自由內存的大小后，就可以清楚、靈活地建立和使用內存分區了。可以根據具體需要建立一些大小不同的內存分區，任務棧、事件控制塊和消息隊列都可以在這些內存分區中分配。系統可以非常清晰地掌握內存使用情況。

本文針對一種芯片描述了如何實現對μC/OS-II內存管理的改進。對于其它類型的微處理器，例如CISC指令集的芯片，雖然具體實現過程有所不同，但思路是一樣的。

μC/OS-II的內存管理還有需要改進的地方，例如，現在的內存管理只支持固定大小的分區，而實際應用中有動態分配非固定分區的需求。這就要求μC/OS-II有實現該功能的軟件結構和內存分配、回收算法。現在能清楚地掌握系統初始化后內存分布情況，為今后實現這些軟件結構和算法打下了基礎。