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標(biāo)題: TI OSAL內(nèi)存管理實現(xiàn)方式 [打印本頁]

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作者: 沒有你    時間: 2020-1-15 00:53
標(biāo)題: TI OSAL內(nèi)存管理實現(xiàn)方式


    之前發(fā)的帖子介紹了OSAL在STC8A8K64S4A12單片機(jī)的移植方式和簡單使用，今天就簡單介紹一下OSAL的內(nèi)存管理方式。在介紹之前，首先要了解單片機(jī)的棧和堆的區(qū)別。    一提到“�！保�很容易想到單片機(jī)的壓棧（PUSH）和出棧（POP）中用到的棧，這個棧是系統(tǒng)自動分配和釋放的，具體分配多少�？臻g，在程序編譯后就已經(jīng)確定不變了、而且無法更改。子函數(shù)內(nèi)部的局部變量定義和使用，也是系統(tǒng)自動分配�？臻g來保存變量，等函數(shù)執(zhí)行完，系統(tǒng)就會將棧空間收回。另一個“堆”，就沒有“�！蹦敲词煜ち耍�因為初學(xué)者用單片機(jī)的時候，不會想到用堆的，也比較少接觸�！岸选本褪怯脩糇约汗芾淼膬�(nèi)存空間，一般都是定義一個大數(shù)組全局變量，再基于這個數(shù)組的內(nèi)存空間做管理。自己編寫類似malloc和free函來實現(xiàn)內(nèi)存空間的申請和釋放，即需要用到空間，要自己申請，等空間使用周期結(jié)束了，還要自己釋放空間。
    既然 “�！蹦敲捶奖�，由系統(tǒng)自動申請，自動釋放，肯定比自己去管理方便多了，那為什么還要“堆”呢？前面講過，“�！笨臻g的使用在程序編譯后就定死了，無法自己制定使用多大的棧，這樣就很不方便，尤其是在傳輸處理動態(tài)數(shù)據(jù)流的時候就很麻煩。那肯定有人想過，在函數(shù)里面定義一個很大的數(shù)組局部變量，那不就可以應(yīng)對各種各樣的數(shù)據(jù)流了。如果在函數(shù)里面定義很大的數(shù)組，系統(tǒng)在跑的使用，其他函數(shù)也會用到�？臻g哦，一旦�？臻g使用過大導(dǎo)致內(nèi)存溢出，那系統(tǒng)肯定奔潰了�！岸选本筒灰粯恿�，要用多少空間，完全可以動態(tài)申請，需要多少，就申請多少。由于是在自己定義全局?jǐn)?shù)組變量的地址上管理內(nèi)存操作，不怕內(nèi)存溢出。
   棧和堆的共同點和區(qū)別：
   1、共同點：a：都是占用ram空間；
                     b：可使用最大ram空間在程序編譯后就確定不變了；
   2、區(qū)別：�？臻g由系統(tǒng)自動申請和釋放，堆空間由用戶自己申請和釋放。
   接下來介紹一下OSAL的內(nèi)存管理，OSAL的內(nèi)存管理是堆管理，OSAL_Memory.c里面定義了一個很大的數(shù)組theHeap，內(nèi)存管理把堆空間分成兩個部分，第一個部分是針對小塊內(nèi)存的管理，第二部分是針對大塊內(nèi)存的管理。這樣做的好處是容易申請到連續(xù)的大空間，因為小塊內(nèi)存處理會使整個內(nèi)存空間碎片化，那么會導(dǎo)致內(nèi)存空間不連續(xù)，不連續(xù)的空間是對申請大空間是非常不利的。在申請堆空間時，會自動合并之前釋放的free塊，等到找到合適連續(xù)塊時，會自動裁剪多余的塊空間，以免造成空間的浪費(fèi)。
  下面列舉出已去除其他無關(guān)代碼和修改部分名稱后的內(nèi)存管理代碼，代碼處理有詳細(xì)注釋，還有測試過程。另外，代碼的測試是基于STC8A8K64S4A12單片機(jī)，ram空間為8K。
首先是相關(guān)宏和變量定義
//堆總空間
#define HEAP_SIZE   2048   
#define HEAPMEM_IN_USE             0x8000

//堆空間結(jié)束位置
#define HEAP_LASTBLK_IDX      ((HEAP_SIZE / HEAPMEM_HDRSZ) - 1)
//區(qū)分塊位置
#define HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT   (HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET / HEAPMEM_HDRSZ)
//大塊起始位置
#define HEAPMEM_BIGBLK_IDX        (HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT + 1)

//首部大小
#define HEAPMEM_HDRSZ              sizeof(heapMemHdr_t)  
//最小塊大小
#define HEAPMEM_MIN_BLKSZ         (HEAPMEM_ROUND((HEAPMEM_HDRSZ * 2)))
//小塊大小
#define HEAPMEM_SMALL_BLKSZ       (HEAPMEM_ROUND(16))
//默認(rèn)長塊大小
#define HEAPMEM_LL_BLKSZ          (HEAPMEM_ROUND(417) + (19 * HEAPMEM_HDRSZ))

//小塊總空間
#define HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET  ((HEAPMEM_SMALL_BLKSZ * HEAPMEM_SMALL_BLKCNT) + HEAPMEM_LL_BLKSZ)
//大塊總空間
#define HEAPMEM_BIGBLK_SZ         (HEAP_SIZE - HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET - HEAPMEM_HDRSZ*2)

//默認(rèn)小塊數(shù)量
#define HEAPMEM_SMALL_BLKCNT       8
// 調(diào)整申請內(nèi)存大小宏操作（如申請17字節(jié)空間，則調(diào)整為18字節(jié)）
#define HEAPMEM_ROUND(X)       ((((X) + HEAPMEM_HDRSZ - 1) / HEAPMEM_HDRSZ) * HEAPMEM_HDRSZ)

typedef struct {
  unsigned len : 15;//本快的長度最大為2^16-1個字節(jié)，且申請空間的最小粒度為2個字節(jié)
  unsigned inUse : 1;//標(biāo)志位表示本快是否已經(jīng)被使用
} heapMemHdrHdr_t;

typedef union {
  //因此，當(dāng)halDataAlign\u t小于UINT16時，編譯器強(qiáng)制結(jié)構(gòu)對齊最大的元素，而不會在目標(biāo)上浪費(fèi)空間。
  uint8 alignDummy;
  uint16 val;//存儲上一塊長度，in use信息
  heapMemHdrHdr_t hdr;//快頭指針
} heapMemHdr_t;

static __no_init heapMemHdr_t all_heap[HEAP_SIZE];//定義堆空間數(shù)組
static __no_init heapMemHdr_t *ff1;  //第一個空塊

static uint8 heapMemStat = 0x01;            // 離散狀態(tài)標(biāo)志 0x01：踢出
說明，每個all_heap元素占用2個字節(jié)，即16個bit，最高位bit代表使用狀態(tài)，1表示非free，0表示free。剩下15個bit可以表示32768個byte堆空間，高達(dá)32K了，應(yīng)付51單片機(jī)是完全沒有問題的。定義了一個全局?jǐn)?shù)組變量all_heap作為堆總空間，大小為2048個byte。可以根據(jù)單片機(jī)資源自行修改堆總空間大小，宏HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT 是小塊內(nèi)存和大塊內(nèi)存的分界數(shù)值。

下面是堆空間初始化函數(shù)
void heap_init(void)
{
  all_heap[HEAP_LASTBLK_IDX].val = 0;//在堆的末尾設(shè)置一個空塊，以便與零進(jìn)行快速比較
  ff1 = all_heap;//設(shè)置管理小塊空間的首部
  ff1->val = HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET;
   //設(shè)置劃分小塊空間與大塊空間的首部
  all_heap[HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT].val = (HEAPMEM_HDRSZ | HEAPMEM_IN_USE);
  // 設(shè)置管理大塊空間首部
  all_heap[HEAPMEM_BIGBLK_IDX].val = HEAPMEM_BIGBLK_SZ;  // Set 'len' & clear 'inUse' field.
}

下面是執(zhí)行heap_init()之后的內(nèi)存地址空間示例（初始地址是某次上電隨機(jī)出現(xiàn)的）

use	value	地址	對應(yīng)數(shù)組
0	584	0x036d - 0x036e	all_heap[0]
0	-	-	-
0	-	-	-
1	2	0x05b5 - 0x05b6	all_heap[292]
0	1460	0x05b7 - 0x05b8	all_heap[293]
0	-	-	-
0	-	-	-
0	0	0x0b6b - 0x0b6c	all_heap[1023]

    說明，第一個all_heap[0]存放這個小塊空間首部，這個首部有小塊空間剩余量，584表示可以使用584個byte的小塊空間，每次有小塊空間申請成功，這個剩余值就會減少。藍(lán)色標(biāo)注的是小塊內(nèi)存和大塊內(nèi)存的格擋板，位置為all_heap[292]，狀態(tài)標(biāo)為1表示已使用，這樣在小塊內(nèi)存在分配內(nèi)存的時候就不會合并到大塊內(nèi)存上面。all_heap[293]存放大塊空間首部，這個首部有大塊空間剩余量，1460表示可以使用1460個byte的大塊空間，每次有大塊空間申請成功，這個剩余值就會減少。堆末尾all_heap[1023]值被初始化為0，以便與零進(jìn)行快速比較。從0x036d-0x0b6c這2048個byte空間就是本次堆的全部空間大小。

下面是堆空間申請函數(shù)
void *heap_alloc(uint16 size)
{
  heapMemHdr_t *prev = NULL;
  heapMemHdr_t *hdr;
  uint8 intState;
  uint8 coal = 0;
  size += HEAPMEM_HDRSZ; //給需要申請的空間分配一個管理首部
//進(jìn)入臨界區(qū)

  //調(diào)整size大小，是空間對齊（與處理器和編譯器相關(guān)）
  if ( sizeof( uint8 ) == 2 )//假設(shè)uint8占用2個字節(jié)
  {
    size += (size & 0x01);//假設(shè)為196個，則size為196；假設(shè)為197個，則size要198才滿足
  }
  else if ( sizeof( uint8 ) != 1 )
  {
    const uint8 mod = size % sizeof( uint8 );

    if ( mod != 0 )
    {
      size += (sizeof( uint8 ) - mod);
    }
  }
  //判斷小塊內(nèi)存空間是否足夠分配，否則向大塊內(nèi)存空間申請
  if ((heapMemStat == 0) || (size <= HEAPMEM_SMALL_BLKSZ))
  {
    hdr = ff1;//小塊內(nèi)存，從ff1開始查找

  }
  else
  {
    hdr = (all_heap + HEAPMEM_BIGBLK_IDX);//從大塊開始查找
  }
  //開始迭代的尋找適合的內(nèi)存空間
  do
  {
    if ( hdr->hdr.inUse )//遇到非free塊
    {
      coal = 0;//告訴下一塊，本塊非free
    }
    else //遇到free塊
    {
      if ( coal != 0 )//上一塊是free塊
      {
        prev->hdr.len += hdr->hdr.len;//兩個free塊合并相鄰內(nèi)存空間

        if ( prev->hdr.len >= size )  //合并后的大小滿足size
        {
          hdr = prev;  //得到塊的地址
          break;
        }
      }
      else //上一塊是非free塊
      {
        if ( hdr->hdr.len >= size )//一個快的大小就可以滿足情況，分配，跳出循環(huán)返回
        {
          break;
        }

        coal = 1;//否則，標(biāo)記coal為1，告訴下一塊，本快是free的
        prev = hdr; //保存當(dāng)前內(nèi)存地址
      }
    }
    //(uint8 *)hdr這個操作使本來2個字節(jié)，強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成1個字節(jié)
    hdr = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + hdr->hdr.len);//經(jīng)典malloc實現(xiàn)方式，迭代下一塊

    if ( hdr->val == 0 )//已經(jīng)到達(dá)堆底部（初始化時，已經(jīng)讓堆底為零，方便識別）
    {
      hdr = NULL;//空指針，表示找不到合適size塊
      break;
    }
  }while(1);

  if ( hdr != NULL )//已經(jīng)找到合適size塊
  {
    uint16 tmp = hdr->hdr.len - size;//表示塊的大小大于請求的大小時，為了不浪費(fèi)空間，還要把塊切開
    //確定是否滿足拆分閾值
    if ( tmp >= HEAPMEM_MIN_BLKSZ )//剩下的大小可以單獨成為一個free塊
    {
      heapMemHdr_t *next = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + size);
      next->val = tmp;                     // 告訴后一個塊自己的信息
      hdr->val = (size | HEAPMEM_IN_USE);  // value代表前一塊的大小和使用情況，這樣相當(dāng)于雙向鏈表
    }
    else
    {
      hdr->hdr.inUse = TRUE; //標(biāo)記本塊已經(jīng)被使用
    }

    if ((heapMemStat != 0) && (ff1 == hdr))
    {
      ff1 = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + hdr->hdr.len);
    }
    hdr++;
  }
  //退出臨界區(qū)
  return (void *)hdr;
}

其中，size是申請空間的多少，每次申請空間為1個byte。比如要申請10個元素uint16類型的數(shù)組，代碼可以寫：
   uint16 *test；
   test = (uint16*)heap_alloc(20);

   下面寫一段代碼來測試heap_alloc函數(shù)
     heap_init(); //初始化堆
     uint8 *test1;
     uint16 *test2;
     uint32 *test3;
     uint8 *test4;
     test1 = (uint8 *)heap_alloc(1);
     test2 = (uint16 *)heap_alloc(2);  
     test3 = (uint32 *)heap_alloc(4);
     test4 = (uint8 *)heap_alloc(1);
   下面是測試代碼運(yùn)行后申請空間情況示例（地址：0x036d-0x037e）

0x03-前綴	6d	6e	6f	70	71	72	73	74	75	76	77	78	79	7a	7b	7c	7d	7e
申請塊			test1			test2				test3						Test4
標(biāo)識塊	584			581				577						571			568

   說明，灰色標(biāo)識前后塊信息（非free態(tài)），里面的數(shù)值是剩余byte空間，本次測試執(zhí)行后，總共用去16個byte（地址0x036d-0x037e）空間，其中8個byte用于剩余頭部信息存儲，8個bytes才是有效空間。每個申請內(nèi)存塊都帶有前后信息塊，借鑒了雙向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。568沒有顏色的表示free態(tài)。

    下面是堆空間釋放函數(shù)
void heap_free(void *ptr)
{
  //如果heapMemHdr_t為2個字節(jié)，則下面指針減去1，物理地址會改變2
  heapMemHdr_t *hdr = (heapMemHdr_t *)ptr - 1;//獲取該內(nèi)存空間首部
  uint8 intState;
  //進(jìn)入中斷臨界
  hdr->hdr.inUse = FALSE; //標(biāo)記使用狀態(tài)為：未使用

  if (ff1 > hdr)
  {
    ff1 = hdr;//調(diào)整ff1位置
  }
  //退出中斷臨界
}

    比如執(zhí)行heap_free(test1)，傳入地址為0x036f，執(zhí)行過程中會將0x036d的狀態(tài)標(biāo)為free態(tài)，也就是釋放掉堆占用了，584那塊會由灰色變成無色。那么，下次申請空間的時候，可以申請使用這塊內(nèi)存（地址：0x036d-0x037e）

0x03-前綴	6d	6e	6f	70	71	72	73	74	75	76	77	78	79	7a	7b	7c	7d	7e
申請塊						test2				test3						Test4
標(biāo)識塊	584			581				577						571			568

    上面的示例是小內(nèi)存的管理過程，大內(nèi)存的管理也是一樣的過程，這里就不列舉了。
  在實際項目中，搭載TI OSAL的ble芯片或者zibee芯片運(yùn)行都非常穩(wěn)定，這也要歸功于OSAL高效可靠的內(nèi)存管理。非常值得研究和借鑒！

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作者: xizhe2005    時間: 2020-1-15 16:46
你寫這么多，為什么就不能讓大家都拿來就用體驗一下

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作者: 沒有你    時間: 2020-1-15 20:43

xizhe2005 發(fā)表于 2020-1-15 16:46
你寫這么多，為什么就不能讓大家都拿來就用體驗一下

兄弟，代碼都亮出了，不就可以體驗了嗎

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作者: xizhe2005    時間: 2020-1-17 09:31
給個現(xiàn)成的KEIL工程，讓我下載到我的單片機(jī)里，謝了，我不太懂原理，只是個用戶

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作者: 沒有你    時間: 2020-1-17 13:14

xizhe2005 發(fā)表于 2020-1-17 09:31
給個現(xiàn)成的KEIL工程，讓我下載到我的單片機(jī)里，謝了，我不太懂原理，只是個用戶

我電腦安裝keil打開沒響應(yīng)，所以沒有搞keil工程。你直接把現(xiàn)成的代碼添加到你的keil工程里面，編譯不成問題的。

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作者: xizhe2005    時間: 2020-1-17 16:46
你都沒試過呀，那你怎么知道沒問題

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作者: 沒有你    時間: 2020-1-17 19:09

xizhe2005 發(fā)表于 2020-1-17 16:46
你都沒試過呀，那你怎么知道沒問題

我在IAR平臺調(diào)試的

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作者: 沒有你    時間: 2020-1-17 19:24

xizhe2005 發(fā)表于 2020-1-17 16:46
你都沒試過呀，那你怎么知道沒問題

就算有點問題，應(yīng)該也是數(shù)據(jù)類型定義那邊修改一下就可以了。

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作者: men007    時間: 2025-4-26 11:45
下載學(xué)習(xí)，謝謝分享！

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