μC/OS-II实时操作系统内存管理的改进

    摘要：分析了μC/OS-II实时操作系统在内存管理上存在的不足，提出了改进方法，通过一个具体实例描述了该方法的实现。

    关键词：实时操作系统 内存管理 微处理器 链接器

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；定义小于了任务栈溢出，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ARM&TDMI，该芯片支持内存管理单元MMU。系统电复位后，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软件开发包括提供的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$$Limit表示读写段结束后的首地址；Image$$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的基础址，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 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是这一内容空间的起始地址。

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

3.3 对实例的总结

在C程序中，上述起始地址可以作为内存分区创建函数OSMemCreate()的内存地址参数，内存分区的最大值就是目标板RAM的最高端地址减去起始地址的值。图1显示了RO段在RAM中的内存分布情况，这种情况下，程序映像一般被保存目标板内存中。系统从闪存启动后，将RO段拷贝到RAM中继续执行。图2显示了RO段在闪存中，RW和ZI段在RAM中的情况。这种情况下，系统启动和代码的执行都发生在闪存中。

用户知道起始地址的值和自由内存的大小后，就可以清楚、灵活地建立和使用内存分区了。可以根据具体需要建立一些大小不同的内存分区，任务栈、事件控制块和消息队列都可以在这些内存分区中分配。系统可以非常清晰地掌握内存使用情况。

本文针对一种芯片描述了如何实现对μC/OS-II内存管理的改进。对于其它类型的微处理器，例如CISC指令集的芯片，虽然具体实现过程有所不同，但思路是一样的。

μC/OS-II的内存管理还有需要改进的地方，例如，现在的内存管理只支持固定大小的分区，而实际应用中有动态分配非固定分区的需求。这就要求μC/OS-II有实现该功能的软件结构和内存分配、回收算法。现在能清楚地掌握系统初始化后内存分布情况，为今后实现这些软件结构和算法打下了基础。