内存管理实验_STM32F1开发指南_第四十二章
来源:互联网 发布:微信可以打开淘宝 编辑:程序博客网 时间:2024/05/21 15:39
第四十二章 内存管理实验
序言
本章将学习内存管理,实现对内存的动态管理。
本章分为如下几部分:
42.1 内存管理简介
42.2 硬件设计
42.3 软件设计
42.4 下载验证
42.1 内存管理简介
内存管理是什么?
是指软件运行时,对计算机内存资源的分配和使用的技术。
内存管理的目的是什么?
高效、快速地分配,并且在适当的时候释放和回收内存资源。
内存管理的实现方法是什么?
有很多,但最终都是实现两个函数:
Malloc:申请内存;
Free:释放内存。
本章介绍的方法是什么?
分块式内存管理
分块式内存管理的实现原理是什么?
从上图可以看出,分块式内存管理由“内存池”和“内存管理表”两部分组成。
内存池被等分为n块,对应于内存管理表,大小也为n;内存管理表的每一项对应内存池的一块内存。
内存管理表的项值代表的意义:
当该项值为0时,对应的内存块未被占用;
当该项值非零时,对应内存块已被占用,其数值则表示被连续占用的内存块数目。比如某项值为10,
则说明包括本项对应的内存块在内,总共分配了10个内存块给外部的某个指针。
内存分配方向:
如图所示,是从顶到底的分配方向。即先从最末端开始找空内存。
当内存管理刚初始化时,内存表全部清零,表示没有任何内存块被占用。
分配原理:
当指针p调用malloc申请内存的时候,先判断p要分配的内存块数(m),然后从第n项开
始,向下查找,直到找到m块连续的空内存块(即对应内存管理表项为0),然后将这m个内
存管理表项的值都设置为m(标记被占用),最后,把最后的这个空内存块的地址返回给指针p,
完成一次分配。注意,当内存不够的时候(找到最后也没找到连续的m块空闲内存),则
返回NULL给p,表示分配失败。
释放原理:
当p申请的内存用完,需要释放的时候,调用free函数实现。free函数先判断p指向的内
存地址所对应的内存块,然后找到对应的内存管理表项目,得到p所占用的内存块数m(内
存管理表项目的值就是所分配内存块的数目),将这m个内存管理表项目的值清零,标记释
放,完成一次内存释放。
42.2 硬件设计
本章实验功能简介:
① 开机后,显示提示信息,等待外部输入。
② KEY0用于申请内存,每次申请2k字节内存。KEY1用于写数据到申请的内存里面。KEY2用于
释放内存。WK_UP用于切换操作内存区(内部内存/外部内存)。DS0用于指示程序运行状态。
③ 本章还可以通过USMART调试,测试内存管理函数。
本实验用到的硬件资源:
1)指示灯DS0;
2)四个按键;
3)串口;
4)TFTLCD模块;
5)IS62WV51216
42.3 软件设计
本章,我们将内存管理部分单独做一个分组,在工程目录下新建一个MALLOC文件夹,
然后在其下面新建malloc.c和malloc.h两个文件。
malloc.h文件代码如下:
#ifndef __MALLOC_H#define __MALLOC_H#ifndef NULL#defein NULL 0#endif //定义两个内存池#define SRAMIN 0 //内部内存池#define SRAMEX 1 //外部内存池 #define SRAMBANK 2 //定义支持的SRAM块数 //mem1 内存参数设定.mem1完全处于内部SRAM里面#define MEM1_BLOCK_SIZE 32 //内存块大小为32字节#define MEM1_MAX_SIZE 40*1024 //最大管理内存 40k#define MEM1_MALLOC_TABLE_SIZE MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE //内存表的大小//mem2 内存参数设定.mem2的内存池处于外部SRAM里面#define MEM2_BLOCK_SIZE 32 //内存块大小为32字节#define MEM2_MAX_SIZE 960*1024 //最大管理内存960k#define MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE MEM2_MAX_SIZE/MEM2_BLOCK_SIZE //内存表的大小//内存管理控制器struct _m_mallco_dev{ void(*init)(u8); //初始化 u8 (*perused)(u8); //内存使用率 u8 * membase[SRAMBANK]; //内存池 管理SRAMBANK个区域的内存 u16 * memmap[SRAMBANK]; //内存管理状态表 u8 memrdy[SRAMBANK]; //内存管理是否就绪};extern struct _m_mallco_dev mallco_dev; //在malloc.c里面定义void mymemset(void *s, u8 c, u32 count); //设置内存void mymemcpy(void *des, void *src, u32 n); //复制内存void my_mem_init(u8 memx); //内存管理初始化函数(外/内部调用)u32 my_mem_malloc(u8 memx, u32 size); //内存分配(内部调用)u8 my_mem_free(u8 memx, u32 size); //内粗释放(内部调用)u8 my_mem_perused(u8 memx); //获得内存使用率(内/外部调用)////////////////////////////////////////////////////////用户调用void myfree(u8 memx, void *ptr); //内存释放(外部调用)void *mymalloc(u8 memx, u32 size); //内存分配(外部调用)void *myrealloc(u8 memx, void *ptr, u32 size); //重新分配内存(外部调用)#endif
分析:从上面可以看出,如果内存分块越小,那么内存管理表就越大,当分块为2字节1个块的
时候,内存管理表就和内存池一样大了(管理表的每项都是u16类型)。显然是不合适的,我们
这里取32字节,比例为1:16,内存管理表相对就比较小了。
mallco.c文件代码如下:
.h"//内存池(4字节对齐)__align(4) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; //内部SRAM内存池(掉电丢失)__align(4) u8 mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((at(0x68000000))); //外部SRAM内存池(掉电丢失)//1.内存管理表u16 mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE]; //内部SRAM内存池MAPu16 mem2mapbase[MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(0x68000000 + MEM2_MAX_SIZE))); //外部SRAM内存池MAP//2.内存管理参数const u32 memblsize[2] = {MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE, MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE}; //内存表的大小const u32 memblksize[2] = {MEM1_BLOCK_SIZE, MEM2_BLOCK_SIZE}; //内存分块大小const u32 memsize[2] = {MEM1_MAX_SIZE, MEM2_MAX_SIZE}; //内存总大小//3.内存管理控制器struct _m_mallco_dev mallco_dev = { mem_init, //内存初始化 mem_perused, //内存使用率 mem1base, mem2base, //内存池 mem1mapbase, mem2mapbase, //内存管理状态表 0, 0, //内存管理未就绪};//4.复制内存/*入 参: *des:目的地址;*src:源地址;n:需要复制的内存长度返回值:无*/void mymemcpy(void * des, void *src, u32 n){ u8 * xdes = des; u8 * xsrc = src;}//5.设置内存/*入 参:*s:内存首地址; c:要设置的值;count:需要设置的内存的大小(字节为单位)返回值:无*/void mymemset(void *s, u8 c, u32 count){ u8 * xs = s; while(count--) { *xs++ = c; }}//6.内存管理初始化/*入 参:memx:所属内存块返回值:无*/void mem_init(u8 memx){ mymemset(mallco_dev.memmap[memx], 0, memtblsize[memx]*2); //内存状态表数据清零 mymemset(mallco_dev.membase[memx], 0, memsize[memx]); //内存池所有数据清零 mallco_dev.memrdy[memx] = 1; //内存管理初始化OK}//7.获得内存使用率/*入 参:memx:所属内存块返回值:使用率(0~100)*/u8 mem_perused(u8 memx){ u32 used = 0; u32 i; for(i = 0; i < memtblsize[memx]; i++) { if(mallco_dev.memmap[memx][i]) used++; } return (used*100)/(memtblsize[memx]);}//8.内存分配(内部调用)/*入 参:memx:所属内存块;size:所要分配的内存的大小(字节)返回值:0xffff ffff表示错误,其他,内存偏移地址*/u32 mem_malloc(u8 memx, u32 size){ signed long offset = 0; u16 nmemb; //需要的内存块数 u16 cmemb = 0; //连续空内存块数 u32 i; if(!mallco_dev.memrdy[memx]) mallco_dev.init(memx); //未初始化,先执行初始化 if(size == 0) return 0xffffffff; //不需要分配 nmemb = size / memblksize[memx]; //获取需要分配的连续内存块数 if(size % memblksize[memx]) nmemb++; for(offset = memtblsize[memx] - 1; offset >= 0; offset--) //搜索整个内存控制区 { if(!mallco_dev.memmap[memx][offset]) cmemb++; //连续空内存块数增加 else cmemb = 0; //连续内存块数清零 if(cmemb == nmemb) //找到了连续nmemb个空内存块 { for(i = 0; i < nmemb; i++) //标注内存块非空 { malloc_dev.memmap[memx][offset + i] = nmemb; } return (offset * memblksize[memx]); //返回偏移地址 } } return 0xffffffff; //未找到符合分配条件的内存块}//9.释放内存(内部调用)/*入 参:memx:所属内存块;offset:内存地址偏移返回值:0:释放成功;1:释放失败*/u8 mem_free(u8 memx, u32 offset){ int i; if(!mallco_dev.memrdy[memx]) //未初始化,先执行初始化 { mallco_dev.init(memx); return 1; //未初始化 } if(offset < memsize[memx]) //偏移在内存池内 { int index = offset / memblksize[memx]; //偏移所在的内存块号码 int nmemb = mallco_dev.memmap[memx][index]; //内存块数量 for(i = 0; i < nmemb; i++) { mallco_dev.memmap[memx][index + i] = 0; } return 0; } else { return 2; //偏移超区了 }}//10.释放内存(外部调用)/*入 参:memx:所属内存块;ptr:内存首地址返回值:无*/void myfree(u8 memx, void *ptr){ u32 offset; if(ptr == NULL) return; //地址为0 offset = (u32)ptr - (u32)mallco_dev.membase[memx]; mem_free(memx, offset); //释放内存}//11.分配内存(外部调用)/*入 参:memx:所属内存块;size:内存大小(字节)返回值:分配到的内存首地址*/void * mymalloc(u8 memx, u32 size){ u32 offset; offset = mem_malloc(memx, size); if(offset == 0xffffffff) return NULL; else return (void *)((u32)mallco_dev.membase[memx] + offset);}//12.重新分配内存(外部调用)/*入 参:memx:所属内存块;*ptr:旧内存首地址;size:要分配的内存大小(字节)返回值:新分配到内存首地址*/void *myrealloc(u8 memx, void *ptr, u32 size){ u32 offset; offset = mem_malloc(memx, size); if(offset == 0xffffffff) return NULL; else { mymemcpy((void*)((u32)mallco_dev.membase[memx] + offset), ptr, size); //拷贝旧内存内容到新内存 myfree(memx, ptr); //释放旧内存 return (void*)((u32)mallco_dev.membase[memx] + offset); //返回新内存首地址 }}
这里,通过内存管理控制器mallco_dev结构体,实现对两个内存池的管理控制。
一个是内部SRAM内存池,定义为:
__align(32) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE];
另一个是外部SRAM内存池,定义为:
__align(32) u8 mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((at(0x68000000)));
其中,MEM1_MAX_SIZE和MEM2_MAX_SIZE为内存池的大小,外部内存池指定地址为0x68000000,
即从外部SRAM首地址开始,内部内存则由编译器自动分配。__align(32)定义内存池为32字节对齐,以
适应各种不同场合的需求。
此部分代码核心函数为:mem_malloc和mem_free,分别用于内存申请和释放。不过这两个函数都只是
内部调用,外部调用我们使用mymalloc和myfree两个函数。
main.c文件代码如下:
int main(void){ u8 key; u8 i = 0; u8 *p = 0; u8 *tp = 0; u8 paddr[18]; //存放paddr+p地址的ASCII值 u8 sramx = 0; //默认为内部sram delay_init(); //延时函数初始化 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置中断优先级分组为组2 uart_init(115200); //串口初始化为115200 LED_init(); KEY_init(); LCD_init(); FSMC_SRAM_Init(); //初始化外部SRAM my_mem_init(SRAMIN); //初始化内部内存池 my_mem_init(SRAMEX); //初始化外部内存池 while() { key = KEY_Scan(0); //不支持连按 switch(key) { case 0: //没有按键按下 break; case KEY0_PRES: //KEY0按下 p = mymalloc(sramx, 2048); //申请2k字节 if(p != NULL) sprintf((char*)p, "Memory Malloc Test%03d", i); //向p写入一些内容 break; case KEY2_PRES: //KEY2按下 myfree(sramx, p); //释放内存 p = 0; break; case WKUP_PRES: //KEY_UP按下 sramx = !sramx; //切换当前malloc/free操作对象 break; } if(tp != p) { tp = p; sprintf((char*)paddr, "paddr:0x%08x", (u32)tp); } delay_ms(10); i++; if((i%20) == 0) //DS0闪烁 { LED0 = !LED0; } }}
这部分代码比较简单,主要是对mymalloc和myfree的调用。不过要注意,申请的内存,在用完后
一定要释放。否则多次申请未释放,会造成“内存泄漏”,久而久之,导致无内存可用。
另外本章希望利用USMART调用内存管理,所以在USMART里面添加mymalloc和myfree两个函数,
用于测试内存分配和内存释放。
42.4 下载验证
在代码编译成功后,下载到开发板上,得到如图所示界面:
可以看到,所有的内存的使用率均为0%,说明还没有任何内存被使用,此时我们按下KEY0,
就可以看到内部SRAM内存被使用了5%了。同时看到下面提示指针p所指向的地址(其实也就是被
分配到的内存地址)和内容。多次按下KEY0,可以看到内存使用率持续上升(注意对比p的值,可以
发现是递减的,说明是从顶部开始分配内存的!),此时如果按下KEY2,可以发现内存使用率降低
了5%,但再次按下KEY2就不再降低了,说明“ 内存泄漏” 了。这就是前面提到的对一个指针多次
申请内存,而之前申请的内存又没有释放,导致的。
按下KEY_UP键,可以切换当前的操作内存,KEY1键用于更新p的内容,更新后的内容将重新
显示在LCD模块上。
本章还可以借助USMART,测试内存的分配和释放,如下图所示:
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