内存和IO管理

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《嵌入式系统设计》 嵌入式系统设计》
嵌入式实时操作系统在内存管理方面需要考 虑如下因素：
快速而确定的内存管理 不使用内存管理：最快速和最确定的内存管 理方式，适用于那些小型的嵌入式系统，系 统中的任务比较少，且数量固定。 通常的操作系统都至少具有基本的内存管理 方法：提供内存分配与释放的系统调用。
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分区1 分区 next previous 分区2 分区 next previous … … next previous
空闲内存块链表
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固定大小存储区管理 分区的操作
创建分区 删除分区 从分区得到内存块 把内存块释放到分区 获取分区ID 获取当前创建的分区的数量 获取当前所有分区的ID 获取分区信息
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可变大小存储区管理
可变大小存储区管理为基于堆的管理方式。
堆为一段连续的、大小可配置的内存空间，用来提供可变内存 块的分配。 可变内存块称为段，最小分配单位称为页，即段的大小是页的 大小的整数倍。 如果申请段的大小不是页的倍数，实时内核将会对段的大小进 行调整，调整为页的倍数。 如，从页大小为256个字节的堆中分配一个大小为350字节的 段，实时内核实际分配的段大小为512个字节。
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内存管理机制
静态分配
系统在启动前，所有的任务都获得了所需要的所有 内存，运行过程中将不会有新的内存请求。
在强实时系统中，减少内存分配在时间上可能带来的不确 定性。 不需要操作系统进行专门的内存管理操作。 系统使用内存的效率比较低下，只适合于那些强实时，且 应用比较简单，任务数量可以静态确定的系统。
在嵌入式实时操作系统中一般不使用虚拟存 储技术，以避免页面置换所带来的开销。
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《嵌入式系统设计》 嵌入式系统设计》 内存保护
平面内存模式： 应用程序和系统程序能够对整个内存空间进行访问。 平面内存模式比较简单，易于管理，性能也比较高。 适合于程序简单、代码量小和实时性要求比较高的领 域。 内存保护： 应用比较复杂、程序量比较大的情况； 防止应用程序破坏操作系统或是其他应用程序的代码 和数据。
一个大小为512字节的分区，内存块为128个字节的分区 一个大小为512字节的分区，内存块为128个字节的分区 512字节的分区 128
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typedef struct { PartitionID ID; /*分区的ID*/ PartitionName Name; /*分区的名字*/ void *starting_address; /*分区的起始地址*/ int length; /*分区的长度*/ int buffer_size; /*内存块的大小*/ PartitionAttribute attribute; /*属性*/ int number_of_used_blocks; /*剩余内存块数*/ MemoryChain memory; /*内存块链*/ } Partition; 分区的数据结构 ID表示分区的标识 starting_address表示分区的起始地址 表示分区的标识； 表示分区的起始地址； ID表示分区的标识；starting_address表示分区的起始地址； length表示分区的存储单元的数量 buffer_size表示分区中每个 表示分区的存储单元的数量； length表示分区的存储单元的数量；buffer_size表示分区中每个 内存块的大小； 内存块的大小； attribute表示分区的属性 number_of_used_blocks表示分区中 表示分区的属性； attribute表示分区的属性；number_of_used_blocks表示分区中 已使用内存块的数量； 已使用内存块的数量； memory为一个指针 为一个指针， memory为一个指针，指向分区中由空闲内存块组成的双向空闲内 13 2010-11-22 存块链表的头结点。 存块链表的头结点。
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内存保护包含两个方面的内容：
防止地址越界：每个应用程序都有自己独立的地址空 间，当应用程序要访问某个内存单元时，由硬件检查 该地址是否在限定的地址空间之内，只有在限定地址 空间之内的内存单元访问才是合法的，否则需要进行 地址越界处理； 防止操作越权：对于允许多个应用程序共享的存储区 域，每个应用程序都有自己的访问权限，如果一个应 用程序对共享区域的访问违反了权限规定，则进行操 作越权处理。
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0 堆1 空闲段 堆2 0 … 1 1 其它控制标志 其它控制标志 正被使用的段 其它控制标志 空闲段 其它控制标志
堆的空闲段链 在段的控制块中设置了一个标志位，表示段被使用的情况： 在段的控制块中设置了一个标志位，表示段被使用的情况：1表 示该段正被使用， 表示该段空闲。 示该段正被使用，0表示该段空闲。 在固定大小存储区管理方式中，只有在空闲状态下， 在固定大小存储区管理方式中，只有在空闲状态下，内存块才拥 有控制信息。在可变大小存储区管理方式中， 有控制信息。在可变大小存储区管理方式中，无论段空闲或是正 在被使用，段的控制结构都始终存在。 在被使用，段的控制结构都始终存在。
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可变大小存储区管理
可变大小存储区中的空闲段通过双向链表链接起来，形 成一个空闲段链。
在创建堆时，只有一个空闲段，其大小为整个存储区的大小减 去控制结构的内存开销。 从存储区中分配段时，可依据首次适应算法，查看空闲链中是 否存在合适的段。 当把段释放回存储区时，该段将被挂在空闲段链的链尾。 如果空闲链中有与该段相邻的段，则将其合并成一个更大的 空闲段。 由于对申请的内存的大小作了一些限制，避免了内存碎片的 产生。
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固定大小存储区管理
如果内存块处于空闲状态，将使用内存块中的几个字节 作为控制结构，用来存放用于双向链接的前向指针和后 向指针。 在使用内存块时，内存块中原有的控制信息不再有效， 其中的所有存储空间都可以被使用。 固定大小存储区管理的系统开销对用户的影响为零。 由于内存块的大小固定，不存在碎片的问题。
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typedef struct { 嵌入式系统设计》 《嵌入式系统设计》 HeapID ID; /*堆的 堆的ID*/ 堆的 HeadName name; /*堆的名字 堆的名字*/ 堆的名字 TaskQueue waitQueue; /*等待队列 等待队列*/ 等待队列 void *starting_address; /*内存空间起始地址 内存空间起始地址*/ 内存空间起始地址 int length; /*内存空间长度 字节 内存空间长度/字节 内存空间长度 字节*/ int page_size; /*页长度（字节）*/ 页长度（ 页长度 字节） int maximum_segment_size; /*最大可用段大小 最大可用段大小*/ 最大可用段大小 RegionAttribute attribute; /*堆的属性 堆的属性*/ 堆的属性 int number_of_used_blocks; /*分配的块数 分配的块数*/ 分配的块数 HeapMemoryChain memory; /*堆头控制结构 堆头控制结构*/ 堆头控制结构 }Heap;
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固定大小存储区管理
可供使用的一段连续的内存空间被称为是一个分区； 分区由大小固定的内存块构成，且分区的大小是内存块大小的整数 倍数。
内存块1 内存块 内存块2 内存块 512字节 字节 内存块3 内存块 内存块4 内存块 128字节 字节
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第11讲 内存和I/O管理
授课教师： 电邮地址：
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内容提要
1 内存管理 2 I/O管理
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1 内存管理
内存管理机制 内存保护
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不同实时内核所采用的内存管理方式不同，有 的简单，有的复杂。 实时内核所采用的内存管理方式与应用领域和 硬件环境密切相关。
在强实时应用领域，内存管理方法就比较简单，甚 至不提供内存管理功能。 一些实时性要求不高，可靠性要求比较高，且系统 比较复杂的应用在内存管理上就相对复杂些，可能 需要实现对操作系统或是任务的保护。
堆的数据结构 waitQueue用来表示任务等待队列 用来表示任务等待队列， waitQueue用来表示任务等待队列，如果任务从堆中申请段不能得 到满足，将被阻塞在堆的等待队列上； 到满足，将被阻塞在堆的等待队列上； starting_address用来表示堆在内存中的起始地址 length表示堆 用来表示堆在内存中的起始地址； starting_address用来表示堆在内存中的起始地址；length表示堆 的大小； 的大小； page_size为页的大小 maximum_segment_size表示堆中当前最大 为页的大小； page_size为页的大小；maximum_segment_size表示堆中当前最大 可用段的大小； 可用段的大小； attribute表示堆的属性 number_of_used_blocks表示已分配使用 表示堆的属性； attribute表示堆的属性；number_of_used_blocks表示已分配使用 的内存块的数量； 的内存块的数量； 18 2010-11-22 memory表示空闲段链表 表示空闲段链表。 memory表示空闲段链表。