μCOS-II实时操作系统内存管理的改进.doc

摘要：分析了C/OS-II实时操作系统在内存管理上存在的不足,提出了改进方法,通过一个具体实例描述了该方法的实现。 关键词：实时操作系统 内存管理 微处理器 链接器C/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C/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C/OS-II只支持固定大小的内存分区,容易造成内存浪费。C/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C/OS-II为例,描述该方法的实现过程。假设基于C/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$Limit表示零初始化段结束后的首地址。一般嵌入式应用,程序链接定位后生成bin文件,即绝对地址空间的代码,因此上述符号的值表示物理地址。对于简单程序,可在编译链接时指定RO和RW的基础址,帮助链接器计算上述符号的值。对于较复杂的程序可以由scatter描述文件来定义RO和RW的基地址。3.2 具体实例及说明所谓C环境初始化,就是利用上述符号初始化RW段和ZI段,以使后面使用全局变量的C程序正常运行。下面是初始化部分的实例：ENTRY ;应用程序入口,应该位于内存的零地址。;中断向量表B Reset_HandlerB Undefined_HandlerB SWI_HandlerB Prefetch_HandlerB Abort_HandlerNOP ;保留向量B IRQ_HandlerB FIQ_Handler;当用户使用除复位中断以外的几个中断时,应将跳转地址换成中断处理程序的入口地址。Undefined_HandlerB Undefined_HandlerSWI_HandlerB SWI_HandlerPrefetch_HandlerB Prefech_HandlerAbort_HandlerB Abort_HandlerIRQ_HandlerB IRQ_HandlerFIQ_HandlerB FIQ_Handler;程序初始化部分Reset_Handler;初始化微处理器寄存器,以使其正常工作。;启动MMU,进入虚拟内存管理。;初始化C环境。IMPORT Image$RO$Limit IMPORT Image$RW$Base IMPORT Image$ZI$Base IMPORT Image$ZI$Limit LDR r0,= Image$RO$Limit LDR r1,= Image$RW$Base LDR r3,= Image$ZI$Base CMP r0,r1BEQ %F10 CMP r1,r3LDRCC r2,r0,#4STRCC r2,r1,#4BCC $B01 LDR r1,= Image$ZI$Limit MOV r2,#02 CMP r3,r1STRCC r2,r3,#4BCC %B2在RAM中初始化RW段和ZI段后,ZI段结束后的首地址到系统RAM最高端之间的内存就是用户可以自由使用的空间,也就是说Image$ZI$Limit是这一内容空间的起始地址。如果系统使用了FIQ和IRQ中断,在ZI段之后可以创建这两种中断的栈空间,然后是操作系统使用的SVC模式下的栈空间,假设每一个栈大小为1024个字节。如果系统使用了定时器,还可在此之后创建定时器中断的栈空间,假设其大小也为1024个字节。此时自由内存空间的起始地址变为：Image$ZI$Limit+10244在初始化代码的最后将其作为一个参数传递到C程序入口,代码如下：LDR r0,= Image$ZI$Limit ;创建IRQ栈空间。;增加地址指针。ADD r0,r0,#1024;创建FIQ栈空间。;增加地址指针。ADD r0,r0,#1024;创建SVC栈空间。;增加地址指针。ADD r0,r0,#1024;创建定时器中断栈空间。;增加地址指针。ADD r0,r0,#1024;导入C代码入口点。IMPORT C_ENTRY;跳转到C代码,此时r0作为入口参数。B C_ENTRY3.3 对实例的总结在C程序中,上述起始地址可以作为内存分区创建函数OSMemCreate()的内存地址参数,内存分区的最大值就是目标板RAM的最高端地址减去起始地址的值。图1显示了RO段在RAM中的内存分布情况,这种情况下,程序映像一般被保存目标板内存中。系统从闪存启动后,将RO段拷贝到RAM中继续执行。图2显示了RO段在闪存中,RW和ZI段在RAM中的情况。这种情况下,系统启动和代码的执行都发生在闪存中。用户知道起始地址的值和自由内存的大小后,就可以清楚、灵活地建立和使用内存分区了。可以根据具体需要建立一些大小不同的内存分区,任务栈、事件控制块和消息队列都可以在这些内存分区中分配。系统可以非常清晰地掌握内存使用情况。本文针对一种芯片描述了如何实现对C/OS-II内存管理的改进。对于其它类型的微处理