基于μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理改進方案

μC/OS-Ⅱ是一種開放源碼的實時操作系統(tǒng)，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(nèi)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(fā)現(xiàn)，內(nèi)核在任務管理（包括任務調(diào)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(wěn)定性和可靠性;但在內(nèi)存管理上顯得過于簡單，內(nèi)存分區(qū)的建立方式有不合理之處。
　　1 內(nèi)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(fā)現(xiàn)，任務?？臻g和內(nèi)存分區(qū)的創(chuàng)建采用了定義全局數(shù)組的方法，即定義一維或二維的全局數(shù)組，在創(chuàng)建任務或內(nèi)存分區(qū)時，將數(shù)組名作為內(nèi)存地址指針傳遞給生成函數(shù)。這樣實現(xiàn)起來固然簡單，但是不夠靈活有效。
　　編譯器會將全局數(shù)組作為未初始化的全局變量，放到應用程序映像的數(shù)據(jù)段。數(shù)組大小是固定的，生成映像后不可能在使用中動態(tài)地改變。對于任務?？臻g來說，數(shù)組定義大了會造成內(nèi)存浪費;定義小了任務棧溢出，會造成系統(tǒng)崩潰。對于內(nèi)存分區(qū)，在不知道系統(tǒng)初始化后給用戶留下了多少自由內(nèi)存空間的情況下，很難定義內(nèi)存分區(qū)所用數(shù)組的大小?？傊萌謹?shù)組來分配內(nèi)存空間是很不合理的。
　　另外，現(xiàn)在的μC/OS-Ⅱ只支持固定大小的內(nèi)存分區(qū)，容易造成內(nèi)存浪費。μC/OS-Ⅱ?qū)響摫桓倪M以支持可變大小的內(nèi)存分區(qū)。為了實現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)初始化后能清楚地掌握自由內(nèi)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(nèi)存空間的情況，避免使用全局數(shù)組分配內(nèi)存空間，關(guān)鍵是要知道整個應用程序在編譯、鏈接后代碼段和數(shù)據(jù)段的大小，在目標板內(nèi)存中是如何定位的，以及目標板內(nèi)存大小。對于最后一條，系統(tǒng)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(jù)具體應用環(huán)境在系統(tǒng)初始化確定的。因此，系統(tǒng)初始化時，如果能正確安排代碼段和數(shù)據(jù)段的位置，就能清楚地知道用戶可以自由使用的內(nèi)存空間起始地址。用目標板內(nèi)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(xiàn)
　　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(xiàn)過程。假設(shè)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(jié)構(gòu)的微處理器核ARM7TDMI，該芯片支持內(nèi)存管理單元MMU。系統(tǒng)加電復位后，從零地址開始執(zhí)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(zhuǎn)到系統(tǒng)初始化部分，執(zhí)行微處理器寄存器初始化。如果使用虛擬內(nèi)存，則啟動MMU，然后是為C代碼執(zhí)行而進行的C環(huán)境初始化。之后創(chuàng)建中斷處理程序使用的棧空間，最后跳轉(zhuǎn)到C程序的入口執(zhí)行系統(tǒng)C程序。
　　對于應用程序，ARM軟件開發(fā)包提供的ARM鏈接器會產(chǎn)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，對較簡單的程序一般各有一個。
　　只讀段就是代碼段，讀寫段是已經(jīng)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(jié)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(jié)束后的首地址;Image＄＄RW＄＄Base 表示讀寫段的起始地址，Image＄＄RW＄＄Limit表示讀寫段結(jié)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(jié)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的基地址，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(huán)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(nèi)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(zhuǎn)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 Prefetch_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(nèi)存管理。
　　……
　　;初始化C環(huán)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(jié)束后的首地址到系統(tǒng)RAM最高端之間的內(nèi)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(nèi)存空間的起始地址。
　　如果系統(tǒng)使用了FIQ和IRQ中斷，在ZI段之后可以創(chuàng)建這兩種中斷的?？臻g，然后是操作系統(tǒng)使用的SVC模式下的?？臻g，假設(shè)每一個棧大小為1024個字節(jié)。如果系統(tǒng)使用了定時器，還可在此之后創(chuàng)建定時器中斷的?？臻g，假設(shè)其大小也為1024個字節(jié)。此時自由內(nèi)存空間的起始地址變?yōu)椋?br /> 　　Image＄＄ZI＄＄Limit+1024×4
　　在初始化代碼的最后將其作為一個參數(shù)傳遞到C程序入口，代碼如下：
　　LDR r0， =|Image＄＄ZI＄＄Limit|
　　;創(chuàng)建IRQ?？臻g。
　　……
　　;增加地址指針。
　　ADD r0， r0， #1024
　　;創(chuàng)建FIQ?？臻g。
　　……
　　;增加地址指針。
　　ADD r0， r0， #1024
　　;創(chuàng)建SVC?？臻g。
　　……
　　;增加地址指針。
　　ADD r0， r0， #1024
　　;創(chuàng)建定時器中斷?？臻g。
　　……
　　;增加地址指針。
　　ADD r0， r0， #1024
　　;導入C代碼入口點。
　　IMPORT C_ENTRY
　　;跳轉(zhuǎn)到C代碼，此時r0作為入口參數(shù)。
　　B C_ENTRY