南航 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 課件 第8章 內(nèi)存和IO管理

第8章

內(nèi)存和I/O管理

18.1內(nèi)存管理

內(nèi)存管理機(jī)制內(nèi)存保護(hù)2不同實(shí)時(shí)內(nèi)核所采用的內(nèi)存管理方式不同，有的簡單，有的復(fù)雜。實(shí)時(shí)內(nèi)核所采用的內(nèi)存管理方式與應(yīng)用領(lǐng)域和硬件環(huán)境密切相關(guān)。在強(qiáng)實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域，內(nèi)存管理方法比較簡單，甚至不提供內(nèi)存管理功能。一些實(shí)時(shí)性要求不高，可靠性要求比較高，且系統(tǒng)比較復(fù)雜的應(yīng)用在內(nèi)存管理上就相對復(fù)雜些，可能需要實(shí)現(xiàn)對操作系統(tǒng)或是任務(wù)的保護(hù)。3嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在內(nèi)存管理方面需要考慮如下因素：快速而確定的內(nèi)存管理

不使用內(nèi)存管理：最快速和最確定的內(nèi)存管理方式，適用于那些小型的嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)中的任務(wù)比較少，且數(shù)量固定。通常的操作系統(tǒng)都至少具有基本的內(nèi)存管理方法：提供內(nèi)存分配與釋放的系統(tǒng)調(diào)用。4不使用虛擬存儲技術(shù)

虛擬存儲技術(shù)：為用戶提供一種不受物理存儲器結(jié)構(gòu)和容量限制的存儲管理技術(shù)，是桌面/服務(wù)器操作系統(tǒng)為在所有任務(wù)中使用有限物理內(nèi)存的通常方法，每個(gè)任務(wù)從內(nèi)存中獲得一定數(shù)量的頁面，并且，當(dāng)前不訪問的頁面將被置換出去，為需要頁面的其他任務(wù)騰出空間。置換是一種具有不確定性的操作：當(dāng)任務(wù)需要使用當(dāng)前被置換出去的頁面中的代碼和數(shù)據(jù)時(shí)，將不得不從磁盤中獲取頁面，而在內(nèi)存中另外的頁面又可能不得不需要先被置換出去。在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中一般不使用虛擬存儲技術(shù)，以避免頁面置換所帶來的開銷。

5內(nèi)存保護(hù)

平面內(nèi)存模式：應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序能夠?qū)φ麄€(gè)內(nèi)存空間進(jìn)行訪問。平面內(nèi)存模式比較簡單，易于管理，性能也比較高。適合于程序簡單、代碼量小和實(shí)時(shí)性要求比較高的領(lǐng)域。內(nèi)存保護(hù)：應(yīng)用比較復(fù)雜、程序量比較大的情況；防止應(yīng)用程序破壞操作系統(tǒng)或是其他應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)。6

內(nèi)存保護(hù)包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：防止地址越界：每個(gè)應(yīng)用程序都有自己獨(dú)立的地址空間，當(dāng)應(yīng)用程序要訪問某個(gè)內(nèi)存單元時(shí)，由硬件檢查該地址是否在限定的地址空間之內(nèi)，只有在限定地址空間之內(nèi)的內(nèi)存單元訪問才是合法的，否則需要進(jìn)行地址越界處理；防止操作越權(quán)：對于允許多個(gè)應(yīng)用程序共享的存儲區(qū)域，每個(gè)應(yīng)用程序都有自己的訪問權(quán)限，如果一個(gè)應(yīng)用程序?qū)蚕韰^(qū)域的訪問違反了權(quán)限規(guī)定，則進(jìn)行操作越權(quán)處理。78.1.2內(nèi)存管理機(jī)制

靜態(tài)分配系統(tǒng)在啟動前，所有的任務(wù)都獲得了所需要的所有內(nèi)存，運(yùn)行過程中將不會有新的內(nèi)存請求。在強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，減少內(nèi)存分配在時(shí)間上可能帶來的不確定性。不需要操作系統(tǒng)進(jìn)行專門的內(nèi)存管理操作。系統(tǒng)使用內(nèi)存的效率比較低下，只適合于那些強(qiáng)實(shí)時(shí)，且應(yīng)用比較簡單，任務(wù)數(shù)量可以靜態(tài)確定的系統(tǒng)。

8內(nèi)存管理機(jī)制

動態(tài)分配堆（heap）：應(yīng)用通過分配（malloc）與釋放（free）操作來使用內(nèi)存。

堆會帶來碎片：內(nèi)存被逐漸劃分為位于已被使用區(qū)域之間的越來越小的空閑區(qū)域。垃圾回收：對內(nèi)存堆進(jìn)行重新排列，把碎片組織成為大的連續(xù)可用內(nèi)存空間。但垃圾回收的時(shí)間長短不確定：不適合于處理實(shí)時(shí)應(yīng)用。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，避免內(nèi)存碎片的出現(xiàn)，而不是在出現(xiàn)內(nèi)存碎片時(shí)進(jìn)行回收。9內(nèi)存管理機(jī)制

常用管理方式：固定大小存儲區(qū)：在指定邊界的一塊地址連續(xù)的內(nèi)存空間中，實(shí)現(xiàn)固定大小內(nèi)存塊的分配。

可變大小存儲區(qū)：在指定邊界的一塊地址連續(xù)的內(nèi)存空間中，實(shí)現(xiàn)可變大小內(nèi)存塊的分配。應(yīng)用根據(jù)需要從固定大小存儲區(qū)或者可變大小存儲區(qū)中獲得一塊內(nèi)存空間，用完后將該內(nèi)存空間釋放回相應(yīng)的存儲區(qū)。101.固定大小存儲區(qū)管理

可供使用的一段連續(xù)的內(nèi)存空間被稱為是一個(gè)分區(qū)；分區(qū)由大小固定的內(nèi)存塊構(gòu)成，且分區(qū)的大小是內(nèi)存塊大小的整數(shù)倍數(shù)。一個(gè)大小為512字節(jié)的分區(qū)，內(nèi)存塊為128個(gè)字節(jié)的分區(qū)

內(nèi)存塊1內(nèi)存塊2內(nèi)存塊3內(nèi)存塊4128字節(jié)512字節(jié)11typedef

struct

{

PartitionID ID; /*分區(qū)的ID*/

PartitionName Name; /*分區(qū)的名字*/void *starting_address; /*分區(qū)的起始地址*/

int length; /*分區(qū)的長度*/

int

buffer_size; /*內(nèi)存塊的大小*/

PartitionAttribute attribute; /*屬性*/

int

number_of_used_blocks;/*剩余內(nèi)存塊數(shù)*/

MemoryChain memory; /*內(nèi)存塊鏈*/}Partition;分區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ID表示分區(qū)的標(biāo)識；starting_address表示分區(qū)的起始地址；

length表示分區(qū)的存儲單元的數(shù)量；buffer_size表示分區(qū)中每個(gè)內(nèi)存塊的大??；

attribute表示分區(qū)的屬性；number_of_used_blocks表示分區(qū)中已使用內(nèi)存塊的數(shù)量；

memory為一個(gè)指針，指向分區(qū)中由空閑內(nèi)存塊組成的雙向空閑內(nèi)存塊鏈表的頭結(jié)點(diǎn)。12空閑內(nèi)存塊鏈表

13固定大小存儲區(qū)管理

分區(qū)的操作創(chuàng)建分區(qū)刪除分區(qū)從分區(qū)得到內(nèi)存塊把內(nèi)存塊釋放到分區(qū)獲取分區(qū)ID獲取當(dāng)前創(chuàng)建的分區(qū)的數(shù)量獲取當(dāng)前所有分區(qū)的ID獲取分區(qū)信息

14固定大小存儲區(qū)管理

如果內(nèi)存塊處于空閑狀態(tài)，將使用內(nèi)存塊中的幾個(gè)字節(jié)作為控制結(jié)構(gòu)，用來存放用于雙向鏈接的前向指針和后向指針。在使用內(nèi)存塊時(shí)，內(nèi)存塊中原有的控制信息不再有效，其中的所有存儲空間都可以被使用。固定大小存儲區(qū)管理的系統(tǒng)開銷對用戶的影響為零。由于內(nèi)存塊的大小固定，不存在碎片的問題。152.可變大小存儲區(qū)管理

可變大小存儲區(qū)管理為基于堆的管理方式。堆為一段連續(xù)的、大小可配置的內(nèi)存空間，用來提供可變內(nèi)存塊的分配?？勺儍?nèi)存塊稱為段，最小分配單位稱為頁，即段的大小是頁的大小的整數(shù)倍。如果申請段的大小不是頁的倍數(shù)，實(shí)時(shí)內(nèi)核將會對段的大小進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整為頁的倍數(shù)。如，從頁大小為256個(gè)字節(jié)的堆中分配一個(gè)大小為350字節(jié)的段，實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)際分配的段大小為512個(gè)字節(jié)。

16typedef

struct{

HeapID ID; /*堆的ID*/

HeadName name; /*堆的名字*/

TaskQueue

waitQueue; /*等待隊(duì)列*/void *starting_address; /*內(nèi)存空間起始地址*/

int length; /*內(nèi)存空間長度/字節(jié)*/

int

page_size; /*頁長度（字節(jié)）*/

int

maximum_segment_size; /*最大可用段大小*/

RegionAttribute attribute; /*堆的屬性*/

int

number_of_used_blocks; /*分配的塊數(shù)*/

HeapMemoryChain memory; /*堆頭控制結(jié)構(gòu)*/}Heap;堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

waitQueue用來表示任務(wù)等待隊(duì)列，如果任務(wù)從堆中申請段不能得到滿足，將被阻塞在堆的等待隊(duì)列上；starting_address用來表示堆在內(nèi)存中的起始地址；length表示堆的大小；page_size為頁的大小；maximum_segment_size表示堆中當(dāng)前最大可用段的大??；attribute表示堆的屬性；number_of_used_blocks表示已分配使用的內(nèi)存塊的數(shù)量；memory表示空閑段鏈表。17可變大小存儲區(qū)管理

可變大小存儲區(qū)中的空閑段通過雙向鏈表鏈接起來，形成一個(gè)空閑段鏈。在創(chuàng)建堆時(shí)，只有一個(gè)空閑段，其大小為整個(gè)存儲區(qū)的大小減去控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)存開銷。從存儲區(qū)中分配段時(shí)，可依據(jù)首次適應(yīng)算法，查看空閑鏈中是否存在合適的段。當(dāng)把段釋放回存儲區(qū)時(shí)，該段將被掛在空閑段鏈的鏈尾。如果空閑鏈中有與該段相鄰的段，則將其合并成一個(gè)更大的空閑段。由于對申請的內(nèi)存的大小作了一些限制，避免了內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。18可變大小存儲區(qū)管理

堆的空閑段鏈

在段的控制塊中設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志位，表示段被使用的情況：1表示該段正被使用，0表示該段空閑。在固定大小存儲區(qū)管理方式中，只有在空閑狀態(tài)下，內(nèi)存塊才擁有控制信息。在可變大小存儲區(qū)管理方式中，無論段空閑或是正在被使用，段的控制結(jié)構(gòu)都始終存在。

19可變大小存儲區(qū)管理

堆的操作創(chuàng)建堆從堆中得到內(nèi)存塊釋放內(nèi)存塊到堆中擴(kuò)展堆獲得已分配內(nèi)存塊的實(shí)際可用空間大小刪除堆獲得堆的ID獲得在堆上等待的任務(wù)數(shù)量獲得等待任務(wù)的ID列表獲得堆的數(shù)量獲得堆列表獲得堆信息20C/OS中的存儲管理C/OS中是實(shí)模式存儲管理不劃分內(nèi)核空間和用戶空間，整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)地址空間，即物理內(nèi)存空間，應(yīng)用程序和內(nèi)核程序都能直接對所有的內(nèi)存單元進(jìn)行訪問；系統(tǒng)中的“任務(wù)”，實(shí)際上都是線程–––只有運(yùn)行上下文和棧是獨(dú)享的，其他資源都是共享的。內(nèi)存布局代碼段(text)、數(shù)據(jù)段(data)、bss段、堆空間、?？臻g；內(nèi)存管理，管的是誰？堆！21什么是bss段？一個(gè)程序本質(zhì)上都是由

bss段、data段、text段三個(gè)組成的。在當(dāng)前的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中是很重要的一個(gè)基本概念。而且在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也非常重要，牽涉到嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存大小分配，存儲單元占用空間大小的問題。

在采用段式內(nèi)存管理的架構(gòu)中（比如intel的80x86系統(tǒng)），bss段（BlockStartedbySymbolsegment）通常是指用來存放程序中未初始化的全局變量的一塊內(nèi)存區(qū)域，一般在初始化時(shí)bss段部分將會清零。bss段屬于靜態(tài)內(nèi)存分配，即程序一開始就將其清零了。

比如，在C語言之類的程序編譯完成之后，已初始化的全局變量保存在.data段中，未初始化的全局變量保存在.bss段中。

在《Programminggroundup》里對.bss的解釋為：Thereisanothersectioncalledthe.bss.Thissectionislikethedatasection,exceptthatitdoesn’ttakeupspaceintheexecutable.

text和data段都在可執(zhí)行文件中（在嵌入式系統(tǒng)里一般是固化在鏡像文件中），由系統(tǒng)從可執(zhí)行文件中加載；而bss段不在可執(zhí)行文件中，由系統(tǒng)初始化。22malloc/free？在ANSIC中可以用malloc()和free()兩個(gè)函數(shù)動態(tài)地分配內(nèi)存和釋放內(nèi)存。在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，容易產(chǎn)生碎片。由于內(nèi)存管理算法的原因，malloc()和free()函數(shù)執(zhí)行時(shí)間是不確定的。μC/OS-II對malloc()和free()函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，使得它們可以分配和釋放固定大小的內(nèi)存塊。這樣一來，malloc()和free()函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間也是固定的了

3Kb堆初始狀態(tài)A(1Kb)B(1Kb)C(1Kb)3個(gè)申請1KbB(1Kb)1Kb釋放A,C23C/OS中的存儲管理C/OS采用的是固定分區(qū)的存儲管理方法μC/OS把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理，每個(gè)分區(qū)包含有整數(shù)個(gè)大小相同的塊；在一個(gè)系統(tǒng)中可以有多個(gè)內(nèi)存分區(qū)，這樣，用戶的應(yīng)用程序就可以從不同的內(nèi)存分區(qū)中得到不同大小的內(nèi)存塊。但是，特定的內(nèi)存塊在釋放時(shí)必須重新放回它以前所屬于的內(nèi)存分區(qū)；采用這樣的內(nèi)存管理算法，上面的內(nèi)存碎片問題就得到了解決。24內(nèi)存分區(qū)示意圖分區(qū)1分區(qū)2分區(qū)3分區(qū)4內(nèi)存塊25內(nèi)存控制塊為了便于管理，在μC/OS中使用內(nèi)存控制塊MCB（MemoryControlBlock）來跟蹤每一個(gè)內(nèi)存分區(qū)，系統(tǒng)中的每個(gè)內(nèi)存分區(qū)都有它自己的MCB。typedef

struct{void*OSMemAddr; /*分區(qū)起始地址*/void*OSMemFreeList;//下一個(gè)空閑內(nèi)存塊

INT32UOSMemBlkSize;/*內(nèi)存塊的大小*/INT32UOSMemNBlks; /*內(nèi)存塊數(shù)量*/INT32UOSMemNFree; /*空閑內(nèi)存塊數(shù)量*/}OS_MEM;26內(nèi)存管理初始化如果要在μC/OS-II中使用內(nèi)存管理，需要在OS_CFG.H文件中將開關(guān)量OS_MEM_EN設(shè)置為1。這樣μC/OS-II在系統(tǒng)初始化OSInit()時(shí)就會調(diào)用OSMemInit()，對內(nèi)存管理器進(jìn)行初始化，建立空閑的內(nèi)存控制塊鏈表。OSMemAddrOSMemFreeListOSMemBlkSizeOSMemNBlksOSMemNFreeOSMemAddrOSMemFreeListOSMemBlkSizeOSMemNBlksOSMemNFreeOSMemAddrOSMemFreeListOSMemBlkSizeOSMemNBlksOSMemNFreeOSMemFreeList0OS_MAX_MEM_PART…27創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存分區(qū)OSMemCreate()OS_MEM*OSMemCreate(

void*addr,//內(nèi)存分區(qū)的起始地址

INT32Unblks,//分區(qū)內(nèi)的內(nèi)存塊數(shù)

INT32Ublksize,//每個(gè)內(nèi)存塊的字節(jié)數(shù)

INT8U*err);//指向錯(cuò)誤碼的指針例子OS_MEM*CommTxBuf;INT8UCommTxPart[100][32];CommTxBuf=OSMemCreate(CommTxPart,

100,32,&err);28OSMemCreate()從系統(tǒng)的空閑內(nèi)存控制塊中取得一個(gè)MCB；將這個(gè)內(nèi)存分區(qū)中的所有內(nèi)存塊鏈接成一個(gè)單向鏈表；在對應(yīng)的MCB中填寫相應(yīng)的信息。MCB29分配一個(gè)內(nèi)存塊void*OSMemGet(OS_MEM*pmem,

INT8U*err);功能：從已經(jīng)建立的內(nèi)存分區(qū)中申請一個(gè)內(nèi)存塊。該函數(shù)的唯一參數(shù)是指向特定內(nèi)存分區(qū)的指針。如果沒有空閑的內(nèi)存塊可用，返回NULL指針。應(yīng)用程序必須知道內(nèi)存塊的大小，并且在使用時(shí)不能超過該容量。30釋放一個(gè)內(nèi)存塊INT8UOSMemPut(OS_MEM*pmem,

void*pblk);功能：將一個(gè)內(nèi)存塊釋放并放回到相應(yīng)的內(nèi)存分區(qū)中。注意：用戶應(yīng)用程序必須確認(rèn)將內(nèi)存塊放回到了正確的內(nèi)存分區(qū)中，因?yàn)镺SMemPut()并不知道一個(gè)內(nèi)存塊是屬于哪個(gè)內(nèi)存分區(qū)的。31等待一個(gè)內(nèi)存塊如果沒有空閑的內(nèi)存塊，OSMemGet()立即返回NULL。能否在沒有空閑內(nèi)存塊的時(shí)候讓任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)？μC/OS-II本身在內(nèi)存管理上并不支持這項(xiàng)功能，如果需要的話，可以通過為特定內(nèi)存分區(qū)增加信號量的方法，來實(shí)現(xiàn)此功能?；舅悸罚寒?dāng)應(yīng)用程序需要申請內(nèi)存塊時(shí)，首先要得到一個(gè)相應(yīng)的信號量，然后才能調(diào)用OSMemGet()函數(shù)。32OS_EVENT*SemaphorePtr;OS_MEM*PartitionPtr;INT8UPartition[100][32];OS_STKTaskStk[1000];voidmain(void){INT8Uerr;

OSInit();...

SemaphorePtr=OSSemCreate(100);

PartitionPtr=OSMemCreate(Partition,100,32,&err);

OSTaskCreate(Task,(void*)0,&TaskStk[999],&err);

OSStart();}33voidTask(void*pdata){INT8Uerr;

INT8U*pblock;

for(;;){

OSSemPend(SemaphorePtr,0,&err);

pblock=OSMemGet(PartitionPtr,&err);

/*使用內(nèi)存塊*/...

OSMemPut(PartitionPtr,pblock);

OSSemPost(SemaphorePtr);}}34/*MEMORYCONTROLBLOCK*/typedef

struct{

/*Pointertobeginningofmemorypartition*/

void*OSMemAddr;

/*Pointertolistoffreememoryblocks*/

void*OSMemFreeList;

/*Size(inbytes)ofeachblockofmemory*/INT32UOSMemBlkSize;

/*Totalnumberofblocksinthispartition*/

INT32UOSMemNBlks;

/*Numberofmemoryblocksremaininginthispartition*/

INT32UOSMemNFree;}OS_MEM;

Memorycontrolblockdatastructure

35/*Max.numberofmemorypartitions...*/#defineOS_MAX_MEM_PART32/*Storageformemorypartitionmanager*/OS_MEMOSMemTbl[OS_MAX_MEM_PART];voidOS_MemInit(void){OS_MEM*pmem;INT16Ui;

pmem=(OS_MEM*)&OSMemTbl[0];/*Pointtomemorycontrolblock(MCB)*/for(i=0;i<(OS_MAX_MEM_PART-1);i++){/*Init.listoffreememorypartitions*//*Chainlistoffreepartitions*/

pmem->OSMemFreeList=(void*)&OSMemTbl[i+1];/*Storestartaddressofmemorypartition*/

pmem->OSMemAddr=(void*)0;

pmem->OSMemNFree=0;/*Nofreeblocks*/

pmem->OSMemNBlks=0;/*Noblocks*/

pmem->OSMemBlkSize=0;/*Zerosize*/

pmem++;}

pmem->OSMemFreeList=(void*)0;/*Initializelastnode*/

pmem->OSMemAddr=(void*)0;/*Storestartaddressofmemorypartition*/

pmem->OSMemNFree=0;/*Nofreeblocks*/

pmem->OSMemNBlks=0;/*Noblocks*/

pmem->OSMemBlkSize=0;/*Zerosize*//*Pointtobeginningoffreelist*/

OSMemFreeList=(OS_MEM*)&OSMemTbl[0];}OS_MemInit

36可變大小存儲區(qū)管理

OS_MEM*OSMemCreate(void*addr,INT32Unblks,INT32Ublksize,INT8U*err){

OS_MEM*pmem;INT8U*pblk;void**plink;INT32Ui;OS_ENTER_CRITICAL();

pmem=OSMemFreeList;/*Getnextfreememorypartition*/if(OSMemFreeList!=(OS_MEM*)0){/*Seeifpooloffreepartitionswasempty*/

OSMemFreeList=(OS_MEM*)OSMemFreeList->OSMemFreeList;}OS_EXIT_CRITICAL();if(pmem==(OS_MEM*)0){/*Seeifwehaveamemorypartition*/*err=OS_MEM_INVALID_PART;return((OS_MEM*)0);}plink=(void**)addr;/*Createlinkedlistoffreememoryblocks*/

pblk=(INT8U*)addr+blksize;for(i=0;i<(nblks-1);i++){*plink=(void*)pblk;plink=(void**)pblk;

pblk=pblk+blksize;}*plink=(void*)0;/*LastmemoryblockpointstoNULL*/

pmem->OSMemAddr=addr;/*Storestartaddressofmemorypartition*/

pmem->OSMemFreeList=addr;/*Initializepointertopooloffreeblocks*/

pmem->OSMemNFree=nblks;/*StorenumberoffreeblocksinMCB*/

pmem->OSMemNBlks=nblks;

pmem->OSMemBlkSize=blksize;/*Storeblocksizeofeachmemoryblocks*/*err=OS_NO_ERR;return(pmem);}OSMemCreate37可變大小存儲區(qū)管理

void*OSMemGet(OS_MEM*pmem,INT8U*err){void*pblk;OS_ENTER_CRITICAL();if(pmem->OSMemNFree>0){/*Seeifthereareanyfreememoryblocks*/

pblk=pmem->OSMemFreeList;/*Yes,pointtonextfreememoryblock*/

pmem->OSMemFreeList=*(void**)pblk;/*Adjustpointertonewfreelist*/

pmem->OSMemNFree--;/*Onelessmemoryblockinthispartition*/OS_EXIT_CRITICAL();*err=OS_NO_ERR;/*Noerror*/return(pblk);/*Returnmemoryblocktocaller*/}OS_EXIT_CRITICAL();*err=OS_MEM_NO_FREE_BLKS;/*No,Notifycallerofemptymemorypartition*/return((void*)0);/*ReturnNULLpointertocaller*/}OSMemGet

38可變大小存儲區(qū)管理

INT8UOSMemPut(OS_MEM*pmem,void*pblk){OS_ENTER_CRITICAL();if(pmem->OSMemNFree>=pmem->OSMemNBlks){/*Makesureallblocksnotalreadyreturned*/OS_EXIT_CRITICAL();return(OS_MEM_FULL);}/*Insertreleasedblockintofreeblocklist*/*(void**)pblk=pmem->OSMemFreeList;

pmem->OSMemFreeList=pblk;

pmem->OSMemNFree++;/*Onemorememoryblockinthispartition*/OS_EXIT_CRITICAL();return(OS_NO_ERR);/*Notifycallerthatmemoryblockwasreleased*/}OSMemPut

393.內(nèi)存保護(hù)

內(nèi)存保護(hù)可通過硬件提供的MMU（memorymanagementunit）來實(shí)現(xiàn)。目前，大多數(shù)處理器都集成了MMU：大幅度降低那些通過在處理器外部添加MMU模塊的處理方式所存在的內(nèi)存訪問延遲。MMU現(xiàn)在大都被設(shè)計(jì)作為處理器內(nèi)部指令執(zhí)行流水線的一部分，使得使用MMU不會降低系統(tǒng)性能，相反，如果系統(tǒng)軟件不使用MMU，還會導(dǎo)致處理器的性能降低。在某些情況下，不使能MMU，跳過處理器的相應(yīng)流水線，可能導(dǎo)致處理器的性能降低80%左右。40內(nèi)存保護(hù)

早期的嵌入式操作系統(tǒng)大都沒有采用MMU：一方面是出于對硬件成本的考慮；另一方面是出于實(shí)時(shí)性的考慮。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在，硬件成本越來越低，MMU所帶來的成本因素基本上可以不用考慮原來的嵌入式CPU的速度較慢，采用MMU通常會造成對時(shí)間性能的不滿足，而現(xiàn)在CPU的速度也越來越快，并且采用新技術(shù)后，已經(jīng)將MMU所帶來的時(shí)間代價(jià)降低到比較低的程度嵌入式CPU具有MMU的功能已經(jīng)是一種必要的趨勢。41內(nèi)存保護(hù)

由于采用MMU后對應(yīng)用的運(yùn)行模式甚至開發(fā)模式都會有一些影響，大量嵌入式操作系統(tǒng)都沒有使用MMU。對于安全性、可靠性要求高的應(yīng)用來講如果不采用MMU，則幾乎不可能達(dá)到應(yīng)用的要求。如果沒有MMU的功能，將無法防止程序的無意破壞，無法截獲各種非法的訪問異常，當(dāng)然更不可能防止應(yīng)用程序的蓄意破壞了。采用MMU后，便于發(fā)現(xiàn)更多的潛在問題，并且也便于問題的定位。未采用MMU時(shí)，內(nèi)存模式一般都是平面模式，應(yīng)用可以任意訪問任何內(nèi)存區(qū)域、任何硬件設(shè)備，程序中出現(xiàn)非法訪問時(shí)，開發(fā)人員是無從知曉的，也非常難于定位。42內(nèi)存保護(hù)

MMU通常具有如下功能：內(nèi)存映射；檢查邏輯地址是否在限定的地址范圍內(nèi)，防止頁面地址越界；檢查對內(nèi)存頁面的訪問是否違背特權(quán)信息，防止越權(quán)操作內(nèi)存頁面；在必要的時(shí)候（頁面地址越界或是頁面操作越權(quán)）產(chǎn)生異常。

43通過MMU進(jìn)行內(nèi)存映射內(nèi)存映射把應(yīng)用程序使用的地址集合（邏輯地址）翻譯為實(shí)際的物理內(nèi)存地址（物理地址）44內(nèi)存保護(hù)

大多數(shù)處理器的典型頁面大小為4K字節(jié)，有些處理器也可能使用大于4K字節(jié)的頁面，但頁面大小總是2的冪，以對發(fā)生在MMU中的地址映射行為流水線化。當(dāng)頁放置到物理內(nèi)存時(shí)，頁面將放置到頁框架（pageframe）中。頁框架是物理內(nèi)存的一部分，具有與頁面同樣的大小，且開始地址為頁面大小的整數(shù)倍。45內(nèi)存保護(hù)

MMU包含著能夠把邏輯地址映射為物理地址的表，稱為頁表。操作系統(tǒng)能夠在需要的時(shí)候?qū)@種映射關(guān)系進(jìn)行改變：應(yīng)用程序?qū)?nèi)存的需求發(fā)生變化或是添加或刪除應(yīng)用程序的時(shí)候。在應(yīng)用程序中的任務(wù)發(fā)生上下文切換時(shí)。

46內(nèi)存保護(hù)

基于頁表的內(nèi)存映射過程例如，一個(gè)系統(tǒng)具有32位的地址空間和4K字節(jié)的頁面，32位的地址空間由20位的頁號和12位的頁內(nèi)偏移量構(gòu)成。MMU將檢查20位的頁號，并為該頁面提供（根據(jù)MMU表進(jìn)行映射）頁框架地址。47內(nèi)存保護(hù)

每個(gè)內(nèi)存頁還具有一些特權(quán)和狀態(tài)信息。MMU提供二進(jìn)制位來標(biāo)識每個(gè)頁面的特權(quán)或狀態(tài)信息。這些二進(jìn)制位用來確定頁面中的內(nèi)容是否：可被處理器指令所使用（執(zhí)行特權(quán)）可寫（寫特權(quán)）可讀（讀特權(quán)）已被回寫（臟位）當(dāng)前在物理內(nèi)存中（有效位）48內(nèi)存保護(hù)

在操作系統(tǒng)的支持下，MMU還提供虛擬存儲功能，即在任務(wù)所需要的內(nèi)存空間超過能夠從系統(tǒng)中獲得的物理內(nèi)存空間的情況下，也能夠得到正常運(yùn)行。當(dāng)需要的頁面被添加到邏輯地址空間時(shí)，任務(wù)對內(nèi)存頁面的合法訪問，將自動訪問到物理內(nèi)存。頁面當(dāng)前不在物理內(nèi)存中時(shí)，將導(dǎo)致頁面故障異常，然后操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)從后援存儲器（如硬盤或是FLASH存儲設(shè)備）中獲取需要的頁面，并從產(chǎn)生頁面故障的機(jī)器指令處重新執(zhí)行。49內(nèi)存保護(hù)

MMU通常具有如下不同功能程度的使用方式：0級，內(nèi)存的平面使用模式?jīng)]有使用MMU，應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序能夠?qū)φ麄€(gè)內(nèi)存空間進(jìn)行訪問。采用該模式的系統(tǒng)比較簡單、性能也比較高，適合于程序簡單、代碼量小和實(shí)時(shí)性要求比較高的領(lǐng)域。大多數(shù)傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)都采用該模式；50內(nèi)存保護(hù)

1級，用來處理具有MMU和內(nèi)存緩存的嵌入式處理器通常只是打開MMU，并通過創(chuàng)建一個(gè)域（domain，為內(nèi)存保護(hù)的基本單位，每個(gè)域?qū)?yīng)一個(gè)頁表）的方式來使用內(nèi)存，并對每次內(nèi)存訪問執(zhí)行一些必要的地址轉(zhuǎn)換操作。該模式仍然只是擁有MMU打開特性的平面內(nèi)存模式；51內(nèi)存保護(hù)

2級，內(nèi)存保護(hù)模式

MMU被打開，且創(chuàng)建了靜態(tài)的域（應(yīng)用程序的邏輯地址同應(yīng)用程序在物理內(nèi)存中的物理地址之間的映射關(guān)系在系統(tǒng)運(yùn)行前就已經(jīng)確定），以保護(hù)應(yīng)用和操作系統(tǒng)在指針試圖訪問其他程序的地址空間時(shí)不會被非法操作。通常使用消息傳送機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在被MMU保護(hù)起來的各個(gè)域之間的移動。52內(nèi)存保護(hù)

3級，虛擬內(nèi)存使用模式

通過操作系統(tǒng)使用CPU提供的內(nèi)存映射機(jī)制，內(nèi)存頁被動態(tài)地分配、釋放或是重新分配。從內(nèi)存映射到基于磁盤的虛擬內(nèi)存頁的過程是透明的。53內(nèi)存保護(hù)

0級模式為大多數(shù)傳統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的使用模式，同1級模式一樣，都是內(nèi)存的平面使用模式，不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的保護(hù)功能。

2級模式是目前大多數(shù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所采用的內(nèi)存管理模式，既能實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)功能，又能通過靜態(tài)域的使用方式保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性。

3級模式適合于應(yīng)用比較復(fù)雜、程序量比較大，并不要求實(shí)時(shí)性的應(yīng)用領(lǐng)域。

54內(nèi)存保護(hù)

基于靜態(tài)域的MMU使用方式也稱為是一一對應(yīng)的使用方式。在這種一一對應(yīng)的使用方式中，應(yīng)用程序的邏輯地址同應(yīng)用程序在物理內(nèi)存中的物理地址相同，簡化了內(nèi)存管理的實(shí)現(xiàn)方式。55內(nèi)存保護(hù)

在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，MMU通常被用來進(jìn)行內(nèi)存保護(hù)：實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序的隔離應(yīng)用程序和應(yīng)用程序之間的隔離防止應(yīng)用程序破壞操作系統(tǒng)的代碼、數(shù)據(jù)以及應(yīng)用程序?qū)τ布闹苯釉L問。對于應(yīng)用程序來講，也可以防止別的應(yīng)用程序?qū)ψ约旱姆欠ㄈ肭?，從而破壞?yīng)用程序自身的運(yùn)行。

56內(nèi)存保護(hù)

在內(nèi)存保護(hù)方面，MMU提供了以下措施：防止地址越界通過限長寄存器檢查邏輯地址，確保應(yīng)用程序只能訪問邏輯地址空間所對應(yīng)的、限定的物理地址空間，MMU將在邏輯地址超越限長寄存器所限定的范圍時(shí)產(chǎn)生異常；防止操作越權(quán)

根據(jù)內(nèi)存頁面的特權(quán)信息控制應(yīng)用程序?qū)?nèi)存頁面的訪問，如果對內(nèi)存頁面的訪問違背了內(nèi)存頁面的特權(quán)信息，MMU將產(chǎn)生異常。57內(nèi)存保護(hù)

簡單的MMU保護(hù)模式應(yīng)用程序之間要通信就只能通過操作系統(tǒng)提供的通信服務(wù)，如：信號量、管道、消息、共享內(nèi)存等，而不能直接訪問彼此的地址空間。MMU通常還提供權(quán)限等級，不同的權(quán)限等級對硬件訪問的權(quán)限不一樣。操作系統(tǒng)一般運(yùn)行在核心態(tài)，具有所有的特權(quán)，而應(yīng)用則一般運(yùn)行在用戶態(tài)，具有一般權(quán)限，以防止應(yīng)用程序的故意破壞。58內(nèi)存保護(hù)

基于域的內(nèi)存管理方式

59內(nèi)存保護(hù)

一個(gè)域可以包含多個(gè)任務(wù)、內(nèi)存頁、系統(tǒng)對象（信號量、隊(duì)列等）和各種共享區(qū)域等，代表了一個(gè)執(zhí)行環(huán)境，是一個(gè)隔離的空間，與進(jìn)程的概念類似。可以認(rèn)為域是資源分配的單位，任務(wù)則是內(nèi)核調(diào)度的單位。在基于域的管理方式中，域就是一個(gè)獨(dú)立的空間，共享庫、內(nèi)核等部分的代碼和數(shù)據(jù)空間直接映射到域空間中，在每個(gè)域中都是獨(dú)立的。應(yīng)用和應(yīng)用之間，應(yīng)用和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核之間通過域的方式進(jìn)行了相互隔離，互不侵犯；共享庫（如文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，圖形用戶接口等）采用非受限訪問方式，以提高應(yīng)用的運(yùn)行速度。但可能由于沒有對共享庫采用任何的保護(hù)機(jī)制，容易造成系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。如果要實(shí)現(xiàn)全面的保護(hù)，共享庫也應(yīng)該通過域的方式進(jìn)行管理，并按照客戶/服務(wù)器的方式提供服務(wù)；操作系統(tǒng)內(nèi)核可通過TRAP（自陷）的機(jī)制提供服務(wù)；堆是域私有的，進(jìn)一步提高了安全性。608.2I/O管理

I/O管理的功能I/O實(shí)現(xiàn)的考慮61

在通用操作系統(tǒng)中，I/O管理采用層次結(jié)構(gòu)的思想（如四個(gè)層次的結(jié)構(gòu)：中斷處理程序，設(shè)備驅(qū)動程序，與設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng)軟件，用戶層軟件）：較低層的軟件要使較高層的軟件獨(dú)立于硬件的特性，較高層軟件則要向用戶提供一個(gè)友好、清晰、規(guī)范的界面。在I/O管理的層次結(jié)構(gòu)中，主要通過設(shè)備獨(dú)立的I/O系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動程序來共同完成I/O操作。設(shè)備驅(qū)動程序通過一組例程來提供比較低級的I/O功能，比如把字節(jié)序列輸入或輸出到面向字符的設(shè)備中。高級協(xié)議（如面向字符設(shè)備的通信協(xié)議）則由與設(shè)備無關(guān)的I/O系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。62

在實(shí)時(shí)內(nèi)核的I/O系統(tǒng)中，用戶I/O請求在到達(dá)設(shè)備驅(qū)動程序之前，通常都只進(jìn)行非常少量的處理。實(shí)時(shí)內(nèi)核的I/O系統(tǒng)的作用就像一個(gè)轉(zhuǎn)換表，把用戶對I/O的請求轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的驅(qū)動程序例程。驅(qū)動程序就能夠獲得最原始的用戶I/O請求，并對設(shè)備進(jìn)行操作。為滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備處理的需要，I/O系統(tǒng)通常也提供一些高級的例程庫，便于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。I/O系統(tǒng)既便于實(shí)現(xiàn)能夠滿足大多數(shù)設(shè)備要求的、標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動程序；也能在需要的時(shí)候，方便地實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動程序，以滿足實(shí)時(shí)性或是其他的特殊需要。

638.2.1I/O管理的功能

I/O管理在系統(tǒng)中的體系結(jié)構(gòu)64I/O管理的功能

I/O系統(tǒng)主要提供以下功能：管理設(shè)備驅(qū)動程序；實(shí)現(xiàn)設(shè)備命名；向用戶提供統(tǒng)一的調(diào)用。

65I/O管理的功能

管理設(shè)備驅(qū)動程序通過驅(qū)動程序地址表來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動程序地址表中存放了設(shè)備驅(qū)動程序的入口地址，可以通過此表實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動的動態(tài)安裝與卸載的管理。驅(qū)動程序地址表通?？梢酝ㄟ^雙向循環(huán)鏈表或是數(shù)組的方式來實(shí)現(xiàn)。

66I/O管理的功能

應(yīng)用層可以通過設(shè)備名來使用設(shè)備，I/O系統(tǒng)和驅(qū)動程序內(nèi)部則采用主/次設(shè)備號來操作設(shè)備。用主設(shè)備號區(qū)別不同的驅(qū)動程序，由于一個(gè)驅(qū)動程序可能管理多個(gè)同類設(shè)備，驅(qū)動程序內(nèi)部再用次設(shè)備號區(qū)別不同設(shè)備。比如，一個(gè)串行通信設(shè)備的驅(qū)動程序可以用來處理多個(gè)獨(dú)立串行通道，這些通道之間只存在參數(shù)方面的差異，如設(shè)備地址。I/O系統(tǒng)還需要提供將設(shè)備名映射到主/次設(shè)備號的方法。可以通過設(shè)備名表來實(shí)現(xiàn)設(shè)備名到主/次設(shè)備號的映射方法。有了設(shè)備名，通過設(shè)備名表就能得到設(shè)備的主/次設(shè)備號。67I/O管理的功能

應(yīng)用層如果每次都通過設(shè)備名使用設(shè)備并不方便。I/O系統(tǒng)可采用文件描述符的機(jī)制簡化這一過程。用戶打開設(shè)備后獲得該設(shè)備的文件描述符，以后對設(shè)備的操作都通過這個(gè)文件描述符來進(jìn)行。68I/O管理的功能

I/O系統(tǒng)可采用主/次設(shè)備號、設(shè)備名表和文件描述符等三方面的內(nèi)容共同完成設(shè)備命名，即設(shè)備識別。I/O系統(tǒng)的統(tǒng)一接口主要實(shí)現(xiàn)以下對設(shè)備的操作：設(shè)備初始化；打開設(shè)備；關(guān)閉設(shè)備；讀設(shè)備；寫設(shè)備；設(shè)備控制。698.2.2I/O系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)考慮

I/O系統(tǒng)主要通過文件描述符表、設(shè)備名表和驅(qū)動程序地址表實(shí)現(xiàn)I/O的管理功能。I/O系統(tǒng)內(nèi)部主要機(jī)制之間的層次關(guān)系

701.主設(shè)備號

I/O系統(tǒng)內(nèi)部最下層是主設(shè)備號機(jī)制，通過主設(shè)備號來區(qū)分不同的驅(qū)動程序。I/O系統(tǒng)內(nèi)部不使用次設(shè)備號，次設(shè)備號僅在驅(qū)動程序內(nèi)部有用。主設(shè)備號機(jī)制的實(shí)現(xiàn)主要體現(xiàn)在驅(qū)動程序地址表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了I/O系統(tǒng)對驅(qū)動程序的統(tǒng)一管理。主設(shè)備號是訪問驅(qū)動程序地址表的索引；通過主設(shè)備號訪問驅(qū)動程序地址表可以獲得驅(qū)動程序提供的關(guān)于設(shè)備的六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)操作的函數(shù)調(diào)用的入口地址。71主設(shè)備號

若驅(qū)動程序地址表組織為數(shù)組的形式，需要在I/O系統(tǒng)初始化時(shí)為驅(qū)動程序地址表分配存儲空間，以容納各個(gè)設(shè)備的驅(qū)動程序的入口地址。若驅(qū)動程序地址表組織為雙向循環(huán)鏈表的形式，則在安裝設(shè)備的時(shí)候動態(tài)分配容納該設(shè)備驅(qū)動程序入口地址的存