μC/OS-II实时操作系统内存管理的改进

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 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。

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