FreeRTOS內(nèi)存機(jī)制詳解

FreeRTOS內(nèi)存分配方式

FreeRTOS是一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它提供了多種內(nèi)存分配方式，包括動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配和靜態(tài)內(nèi)存分配。其中，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配是最常用的一種方式，它允許程序在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地申請(qǐng)和釋放內(nèi)存空間。而靜態(tài)內(nèi)存分配則是在編譯時(shí)就已經(jīng)確定了內(nèi)存空間的大小和位置，無(wú)法在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行修改。

靜態(tài)分配內(nèi)存：以靜態(tài)分配方式給任務(wù)、軟件定時(shí)器，信號(hào)量、互斥鎖等系統(tǒng)資源分配資源，不會(huì)調(diào)用freeRTOS的pvPortMalloc內(nèi)存分配接口，在RAM在自定義內(nèi)存空間（全局?jǐn)?shù)組、全局變量等），創(chuàng)建任務(wù)、定時(shí)器。信號(hào)量、互斥鎖等資源，將自定義的內(nèi)存空間與創(chuàng)建的系統(tǒng)資源綁定。內(nèi)存分布如下圖所示：

動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存：以動(dòng)態(tài)分配方式給任務(wù)、軟件定時(shí)器，信號(hào)量、互斥鎖等系統(tǒng)資源分配資源，調(diào)用系統(tǒng)提供的pvPortMalloc內(nèi)存分配接口，在系統(tǒng)的ucHeap中（使用heap_3.c的內(nèi)存管理方式除外，使用heap_3.c內(nèi)存方式，會(huì)直接調(diào)用c庫(kù)的malloc申請(qǐng)空間）申請(qǐng)任務(wù)、信號(hào)量、隊(duì)列、互斥鎖等所需的內(nèi)存空間。內(nèi)存分布如下圖所示（heap_3.c的內(nèi)存管理方式除外）：

在FreeRTOS中，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配是通過(guò)函數(shù)xTaskCreate()來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該函數(shù)可以創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，并為其分配一定的?？臻g和堆空間。其中，?？臻g用于存儲(chǔ)函數(shù)調(diào)用時(shí)的局部變量和返回地址等信息，而堆空間則用于存儲(chǔ)任務(wù)運(yùn)行時(shí)需要的數(shù)據(jù)和變量等。

除了xTaskCreate()函數(shù)之外，F(xiàn)reeRTOS還提供了其他的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)，如vTaskAllocateBlock()、prvAllocateRAM()等。這些函數(shù)都可以用來(lái)申請(qǐng)一定大小的內(nèi)存空間，并將其分配給指定的任務(wù)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用。

需要注意的是，在使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配時(shí)，需要確保所申請(qǐng)的內(nèi)存空間不會(huì)超出系統(tǒng)可用的內(nèi)存范圍。否則，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或其他不可預(yù)料的錯(cuò)誤發(fā)生。因此，在使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配時(shí)，需要謹(jǐn)慎地評(píng)估所需的內(nèi)存大小，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

FreeRTOS內(nèi)存操作相關(guān)接口

FreeRTOS提供了一系列的內(nèi)存操作相關(guān)接口，用于對(duì)內(nèi)存進(jìn)行管理和操作。其中，最常用的接口包括以下幾個(gè)：

1. xTaskCreate()：創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，并為其分配一定的棧空間和堆空間。
2. vTaskDelete()：刪除一個(gè)任務(wù)，并釋放其占用的棧空間和堆空間。
3. vPortFree()：釋放一段已經(jīng)分配好的內(nèi)存空間。
4. prvAllocateRAM()：在系統(tǒng)中申請(qǐng)一段連續(xù)的RAM空間，并將其分配給指定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用。
5. vTaskSuspendAll()：暫停所有正在運(yùn)行的任務(wù)，以便進(jìn)行內(nèi)存管理和其他操作。
6. xTaskGetCurrentTaskHandle()：獲取當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)句柄。
7. uxTaskGetNumberOfTasks()：獲取當(dāng)前系統(tǒng)中正在運(yùn)行的任務(wù)數(shù)量。
8. pcTaskGetName()：獲取指定任務(wù)的名稱字符串。
9. xQueueCreate()：創(chuàng)建一個(gè)隊(duì)列，并為其分配一定的內(nèi)存空間。
10. xQueueSend()：向指定的隊(duì)列中發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。
11. xQueueReceive()：從指定的隊(duì)列中接收一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。
12. xQueuePeek()：查看指定隊(duì)列中的第一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。
13. xQueueReset()：清空指定隊(duì)列中的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)。
14. xQueueIsFull()：判斷指定隊(duì)列是否已滿。
15. xQueueIsEmpty()：判斷指定隊(duì)列是否為空。

以上是FreeRTOS常用的一些內(nèi)存操作相關(guān)接口，通過(guò)這些接口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)、隊(duì)列等數(shù)據(jù)的管理和操作。需要注意的是，在使用這些接口時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的參數(shù)和選項(xiàng)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

FreeRTOS內(nèi)存管理方式

FreeRTOS采用了一種先進(jìn)的內(nèi)存管理方式，即基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)調(diào)度機(jī)制。在這種機(jī)制下，每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)會(huì)優(yōu)先被調(diào)度執(zhí)行，而低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)則會(huì)等待高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行完畢后再進(jìn)行調(diào)度。這種機(jī)制可以有效地避免任務(wù)之間的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

此外，F(xiàn)reeRTOS還采用了一種稱為“就地”(in-place)的內(nèi)存管理方式。在這種管理方式下，任務(wù)的棧空間和堆空間都是在同一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域中分配的，而不是像傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)那樣將棧空間和堆空間分開(kāi)來(lái)管理。這種方式可以減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，提高內(nèi)存利用率和系統(tǒng)性能。同時(shí)，由于?？臻g和堆空間是在同一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域中分配的，因此也方便了任務(wù)之間的通信和數(shù)據(jù)共享。

總之，F(xiàn)reeRTOS采用了一種先進(jìn)的內(nèi)存管理方式，通過(guò)基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)調(diào)度機(jī)制和就地內(nèi)存管理方式，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定、可靠的內(nèi)存管理和任務(wù)調(diào)度功能。這些特性使得FreeRTOS成為了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中最常用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一。