來源：單片機及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用  作者：電子科學(xué)大學(xué) 曾非一 桑 楠 熊光澤

摘要：嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存管理機制必須滿足實時性和可靠性的要求。本文以開源的的操作系統(tǒng)RTEMS為例，介紹嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存管理的要求、存在的問題以及解決的策略。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 內(nèi)存管理 靜態(tài)分配 動態(tài)分配

引言

內(nèi)存管理機制是嵌入式系統(tǒng)研究中的一個重點和難點的問題，它必須滿足以下幾個特性：

①實時性。從實時性的角度出發(fā)，要求內(nèi)存分配過程要盡可能地快。因此，在嵌入式系統(tǒng)中，不可能采用通用操作系統(tǒng)的一些復(fù)雜而完善的內(nèi)存分配策略，一般沒有段頁式的虛存管理機制；而是采用簡單、快速的內(nèi)存分配方案，其分配方案也因程序?qū)�實時性的要求而異。例如，VxWorks系統(tǒng)采用簡單的“首次適應(yīng)，立即聚合”方法；VRTX中采用多個固定尺寸存儲塊的binning方案。

②可靠性。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境千變?nèi)f化，在有些特定情況下，對系統(tǒng)的可靠性要求極高，內(nèi)存分配的請求必須得到滿足，如果分配失敗則可能會帶來災(zāi)難性的后果。比如，飛機的燃油檢測系統(tǒng)。在飛機飛行過程中，如果燃料發(fā)生泄漏，系統(tǒng)應(yīng)該立即檢測到，并發(fā)出相應(yīng)的警報等待飛行員及時處理。如果因為內(nèi)存分配失敗而不能相應(yīng)地操作，就可能發(fā)生機毀人亡的事故。

③高效性。內(nèi)存分配要盡可能地減少浪費。不可能為了保證滿足所有的內(nèi)存分配請求而將內(nèi)存配置得很大。一方面，嵌入式系統(tǒng)對成本的要求使得內(nèi)存在其中只是一種很有限的資源；另一方面，即使不考慮成本的因素，系統(tǒng)硬件環(huán)境有限的空間和有限的板面積決定了可配置的內(nèi)存容量是很有限的。

針對以上三個約束條件，市場上主流的嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks、嵌入式Linux等均提出了一套有效的解決方案；但是，這些系統(tǒng)只提供了應(yīng)用開發(fā)的接口，其底層的實現(xiàn)方案不可見。本文以開源的嵌入式操作系統(tǒng)RTEMS為例，分析了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存管理所面臨的問題，研究了其底層實現(xiàn)的解決方案。一般的嵌入式系統(tǒng)中最基本的內(nèi)存管理方案有兩種——靜態(tài)分配和動態(tài)分配。

1 靜態(tài)分配與動態(tài)分配

靜態(tài)分配是指在編譯或鏈接時將程序所需的內(nèi)存空間分配好。采用這種分配方案的程序段，其大小一般在編譯時就能夠確定；而動態(tài)分配是指系統(tǒng)運行時根據(jù)需要動態(tài)地分配內(nèi)存。這兩種策略的選取一直是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中一個令人頭痛的問題。

一般的嵌入式系統(tǒng)都支持靜態(tài)分配，因為像中斷向量表、操作系統(tǒng)映像這類的程序段，其程序大小在編譯和鏈接時是可以確定的。而是否支持動態(tài)分配主要基于兩個方面的考慮：首先是實時性和可靠性的要求，其次是成本的要求。對于實時性和可靠性要求極高的系統(tǒng)（硬實時系統(tǒng)），不允許延時或者分配失效，必須采用靜態(tài)內(nèi)存分配，如航天器上的嵌入式系統(tǒng)多采用靜態(tài)內(nèi)存分配。除了基于成本的考慮外，用于汽車電子和工業(yè)自動化領(lǐng)域的一些系統(tǒng)也沒有動態(tài)內(nèi)存分配，比如WindRiver著名的OSEKWorks系統(tǒng)。然而，僅僅采用靜態(tài)分配，使系統(tǒng)失去了靈活性。必須在設(shè)計階段就預(yù)先知道所需要的內(nèi)存并對之作出分配；必須在設(shè)計階段就預(yù)先考慮到所有可能的情況，因為一旦出現(xiàn)沒有考慮到的情況，正在運行的系統(tǒng)就無法處理。這樣的分配方案必然導(dǎo)致很大的浪費。因為內(nèi)存分配必須按照最壞情況進(jìn)行最大的配置，而實際運行時很可能只使用其中的一小部分；而且在硬件平臺不變的情況下，不可能靈活地為系統(tǒng)添加功能，從而使得系統(tǒng)的升級變得困難。

雖然動態(tài)內(nèi)存分配會導(dǎo)致響應(yīng)和執(zhí)行時間不確定、內(nèi)存碎片等問題，但是它的實現(xiàn)機制靈活，給程序?qū)崿F(xiàn)帶來極大的方便，有的應(yīng)用環(huán)境中動態(tài)內(nèi)存分配甚至最必不可少的。比如，嵌入式系統(tǒng)中使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，在特定的平臺下，為了比較靈活地調(diào)整系統(tǒng)的功能，在系統(tǒng)中各個功能之間作出權(quán)衡，必須支持動態(tài)內(nèi)存分配。例如，為了使系統(tǒng)能夠及時地在支持的VLAN數(shù)和支持的路由條目數(shù)之間作出調(diào)整，或者為了使不同的版本支持不同的協(xié)議，類似于malloc和free這類的函數(shù)是必不可少的。

大多數(shù)的系統(tǒng)是硬實時和軟實時綜合。系統(tǒng)中的一部分任務(wù)有嚴(yán)格的時限要求，而另一部分只是要求完成得越快越好。按照RMS（Rate Monotonous Scheduling）理論，這樣的系統(tǒng)必須采用搶先式任務(wù)調(diào)度；而在這樣的系統(tǒng)中，就可以采用動態(tài)內(nèi)存分配來滿足部分對可靠性和實時性要求不高的任務(wù)。采用動態(tài)內(nèi)存分配的最大好處就是給設(shè)計得很大的靈活性，可以方便地將原來運行于非嵌入式操作系統(tǒng)的程序移植到嵌入式系統(tǒng)中。

2 RTEMS內(nèi)存管現(xiàn)機制

RTEMS（The Rael Time Executive for Multi-processor Systems）是一個基于多處理器的，能夠運行在不同處理器平臺上的嵌入式操作系統(tǒng)。其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括航空航天設(shè)備（導(dǎo)彈、飛機控制系統(tǒng)），網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（