基于μC/OS-Ⅱ实时操作系统的内存管理改进方案

μC/OS-Ⅱ是一种开放源码的实时操作系统，具有抢先式、多任务的特点，已被应用到众多的微处理器上。虽然该内核功能较多，但还是有不甚完善的地方。笔者在分析使用中发现，内核在任务管理（包括任务调度、任务间的通信与同步）和中断管理上是比较完善的，具有可以接受的稳定性和可靠性;但在内存管理上显得过于简单，内存分区的建立方式有不合理之处。
　　1 内存管理不足之处的分析
　　在分析许多μC/OS-Ⅱ的应用实例中发现，任务栈空间和内存分区的创建采用了定义全局数组的方法，即定义一维或二维的全局数组，在创建任务或内存分区时，将数组名作为内存地址指针传递给生成函数。这样实现起来固然简单，但是不够灵活有效。
　　编译器会将全局数组作为未初始化的全局变量，放到应用程序映像的数据段。数组大小是固定的，生成映像后不可能在使用中动态地改变。对于任务栈空间来说，数组定义大了会造成内存浪费;定义小了任务栈溢出，会造成系统崩溃。对于内存分区，在不知道系统初始化后给用户留下了多少自由内存空间的情况下，很难定义内存分区所用数组的大小。总之利用全局数组来分配内存空间是很不合理的。
　　另外，现在的μC/OS-Ⅱ只支持固定大小的内存分区，容易造成内存浪费。μC/OS-Ⅱ将来应该被改进以支持可变大小的内存分区。为了实现这一功能，系统初始化后能清楚地掌握自由内存空间的情况是很重要的。
　　2 解决问题的方法
　　为了能清楚掌握自由内存空间的情况，避免使用全局数组分配内存空间，关键是要知道整个应用程序在编译、链接后代码段和数据段的大小，在目标板内存中是如何定位的，以及目标板内存大小。对于最后一条，系统编程人员当然是清楚的，第一条编译器会给出，而如何定位是由编程人员根据具体应用环境在系统初始化确定的。因此，系统初始化时，如果能正确安排代码段和数据段的位置，就能清楚地知道用户可以自由使用的内存空间起始地址。用目标板内存最高端地址减去起始地址，就是这一自由空间的大小。
　　3 举例描述该方法的实现
　　下面以在CirrusLogic公司的EP7211微处理器上使用μC/OS-Ⅱ为例，描述该方法的实现过程。假设基于μC/OS-Ⅱ的应用程序比较简单，以简化问题的阐述。
　　3.1 芯片初始化过程和链接器的功能
　　EP7211采用了RISC体系结构的微处理器核ARM7TDMI，该芯片支持内存管理单元MMU。系统加电复位后，从零地址开始执行由汇编语言编写的初始化代码。零地址存放着中断向量表，第一个是复位中断，通过该中断向量指向的地址可以跳转到系统初始化部分，执行微处理器寄存器初始化。如果使用虚拟内存，则启动MMU，然后是为C代码执行而进行的C环境初始化。之后创建中断处理程序使用的栈空间，最后跳转到C程序的入口执行系统C程序。
　　对于应用程序，ARM软件开发包提供的ARM链接器会产生只读段（read-only section RO）、读写段（read-write section RW）和零初始化段（zero-initialized section ZI）。每种段可以有多个，对较简单的程序一般各有一个。
　　只读段就是代码段，读写段是已经初始化的全局变量，而零初始化段中存放未初始化的全局变量。链接器同时提供这三种段的起始地址和结束地址，并用已定义的符号表示。描述如下：Image＄＄RO＄＄Base表示只读段的起始地址，Image＄＄RO＄＄Limit表示只读段结束后的首地址;Image＄＄RW＄＄Base 表示读写段的起始地址，Image＄＄RW＄＄Limit表示读写段结束后的首地址;Image＄＄ZI＄＄Base 表示零初始化段的起始地址，Image＄＄ZI＄＄Limit表示零初始化段结束后的首地址。
　　一般嵌入式应用，程序链接定位后生成bin文件，即绝对地址空间的代码，因此上述符号的值表示物理地址。对于简单程序，可在编译链接时指定RO和RW的基地址，帮助链接器计算上述符号的值。对于较复杂的程序可以由scatter描述文件来定义RO和RW的基地址。
　　3.2 具体实例及说明
　　所谓C环境初始化，就是利用上述符号初始化RW段和ZI段，以使后面使用全局变量的C程序正常运行。下面是初始化部分的实例：
　　ENTRY ;应用程序入口，应该位于内存的零地址。
　　;中断向量表
　　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
　　;当用户使用除复位中断以外的几个中断时，应将跳转地址换成中断处理程序的入口地址。
　　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
　　;初始化微处理器寄存器，以使其正常工作。
　　……
　　;启动MMU，进入虚拟内存管理。
　　……
　　;初始化C环境。
　　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段结束后的首地址到系统RAM最高端之间的内存就是用户可以自由使用的空间，也就是说Image＄＄ZI＄＄Limit是这一内存空间的起始地址。
　　如果系统使用了FIQ和IRQ中断，在ZI段之后可以创建这两种中断的栈空间，然后是操作系统使用的SVC模式下的栈空间，假设每一个栈大小为1024个字节。如果系统使用了定时器，还可在此之后创建定时器中断的栈空间，假设其大小也为1024个字节。此时自由内存空间的起始地址变为：
　　Image＄＄ZI＄＄Limit+1024×4
　　在初始化代码的最后将其作为一个参数传递到C程序入口，代码如下：
　　LDR r0， =|Image＄＄ZI＄＄Limit|
　　;创建IRQ栈空间。
　　……
　　;增加地址指针。
　　ADD r0， r0， #1024
　　;创建FIQ栈空间。
　　……
　　;增加地址指针。
　　ADD r0， r0， #1024
　　;创建SVC栈空间。
　　……
　　;增加地址指针。
　　ADD r0， r0， #1024
　　;创建定时器中断栈空间。
　　……
　　;增加地址指针。
　　ADD r0， r0， #1024
　　;导入C代码入口点。
　　IMPORT C_ENTRY
　　;跳转到C代码，此时r0作为入口参数。
　　B C_ENTRY