Vx Works的內(nèi)存配置和管理

殷戰(zhàn)寧，劉 琳

（中國電子科技集團(tuán)公司51所，上海 201802）

0 引 言

對于一般編程人員尤其是Windows等通用平臺的編程人員來說，內(nèi)存配置基本上只要考慮全局變量、局部變量（堆棧變量）的合理安排，內(nèi)存管理基本上只是使用 Malloc、Free等編程接口。但對于Vx Works嵌入式操作系統(tǒng)而言，由于內(nèi)存芯片選型、內(nèi)存的地址空間分配［1］、中央處理器（CPU）級內(nèi)存管理硬件初始化、映像文件的地址定位、內(nèi)存的靜態(tài)和動態(tài)占用、內(nèi)存碎片對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響等諸多內(nèi)容都由設(shè)計人員來規(guī)劃和控制，所以涉及內(nèi)容廣泛，需要有一個較好的通篇認(rèn)識才能解決好與內(nèi)存有關(guān)的問題。

1 軟硬件配置

1.1 CPU和內(nèi)存芯片選型

內(nèi)存需要相關(guān)的內(nèi)存控制器來操作，以便能保證內(nèi)存訪問的時序、刷新等操作。內(nèi)存控制器有些CPU自帶，如 MPC5200帶雙倍速率（DDR）控制器、同步動態(tài)隨機(jī)存儲（SDRAM）控制器，PPC860通過用戶可編程機(jī)制（UPM）來控制隨機(jī)存儲器（RAM）、S3c2410帶SDRAM控制器等；有些CPU不帶內(nèi)存控制器，如X86類型，需要橋片來對內(nèi)存進(jìn)行時序控制。

對內(nèi)存芯片進(jìn)行選型，首先要弄清楚內(nèi)存控制器的特性，如支持的芯片類型、配置參數(shù)的標(biāo)度方法等，然后選取類型無誤、數(shù)據(jù)手冊方便進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換或計算的內(nèi)存，合適的選型可以降低參數(shù)配置的難度，提高內(nèi)存的訪問效率。

由于內(nèi)存參數(shù)配置是主板上電后立即就要做的事情，所以，順利與否以及穩(wěn)定與否，極大地影響隨后的代碼重定位等工作；通過硬件仿真器來調(diào)試主板，工作也往往是從配置和測試內(nèi)存開始的。摘錄MPC5200內(nèi)存配置寄存器2的部分位定義，如圖1所示。

可以看到該寄存器的設(shè)置牽涉到tRCD、tRP、tRFC等內(nèi)存片的參數(shù)。內(nèi)存片MT48LC32M8A2的數(shù)據(jù)手冊如表1所示。

表1 MT48LC32M8A2內(nèi)存數(shù)據(jù)表

圖1 MPC5200配置寄存器2的部分定義

可以看到CPU寄存器配置值的參數(shù)很方便就從內(nèi)存手冊里查到。如果選型不合適，則需要進(jìn)行參數(shù)的換算，參數(shù)的具體關(guān)系可以參看專業(yè)介紹內(nèi)存時序的資料。

這一步工作結(jié)果將具體反映到板級支持包（BSP）的 RomInit.s文件中，如 MPC5200的 BSP里面，由RomInitSdram函數(shù)來實現(xiàn)內(nèi)存配置，其重要配置就有：

完成配置后，再通過內(nèi)存控制器的Command寄存器等啟動Refresh，使能操作。

X86的Vx Works由于有基本輸入輸出系統(tǒng)（BIOS）完成了內(nèi)存的配置，所以在RomInit.s里面看不到類似的過程，其它類型CPU的主板基本上都需要該操作。

1.2 CPU和內(nèi)存地址分配

內(nèi)存的地址對不同的CPU可以有不同的分配方法，對于X86體系，內(nèi)存一般從地址0開始，跳過A、B段（顯示內(nèi)存），C、D段（卡式設(shè)備內(nèi)存空間），E、F段（BIOS空間）后，繼續(xù)從0x100000連續(xù)分配。對于CPU命令架構(gòu)（）類CPU，則一般有CSx類寄存器，可以配置與某個CS引腳對應(yīng)的地址范圍和操作寬度等，一般也配置成從0開始；對于增強的精簡指令集機(jī)制（ARM）類CPU，做法會有許多種，需要查詢具體的芯片手冊，如S3c2410，則固定CS6和CS7用作SDRAM的片選，地址范圍固定從0x30000000開始。

此類寄存器的設(shè)置也需要在RomInit.s里面設(shè)置好。

1.3 CPU級內(nèi)存管理硬件初始化

CPU一般都有存儲器管理單元（MMU）、塊地址翻譯（BAT）等硬件機(jī)制來對內(nèi)存空間分段或分頁管理，對不同的段頁配置不同的虛實地址對應(yīng)關(guān)系、讀寫屬性、Cache屬性、保護(hù)屬性等。這部分操作Vx Works開發(fā)人員無需直接訪問寄存器，只需填寫用來配置MMU或BAT的結(jié)構(gòu)數(shù)組，如MMU配置：

該配置器就描述了一段內(nèi)存的虛地址、實地址、大小、屬性使能、屬性等；主內(nèi)存地址空間一般都配置為不做虛實轉(zhuǎn)換、可寫、可Cache等。該表項會由Usr MmuInit函數(shù)里面讀取并配置到MMU，而且也可以通過Sys Mmu Map Add等維護(hù)函數(shù)做增刪。

BAT表一般用于CPU命令架構(gòu)（PPC）類寄存器，可以定義代碼段、數(shù)據(jù)段、段大小、Cache屬性等，可以與MMU組合使用，也可以單獨使用，相關(guān)的BSP也提供結(jié)構(gòu)數(shù)組進(jìn)行維護(hù)。

MMU和BAT表項一般在BSP的SysLib.c文件里面。

對于X86類CPU，還有全局描述符表（GDT）、中斷描述符表（IDT）等內(nèi)存描述符需要初始化，內(nèi)存描述符規(guī)定了一段空間的大小和屬性，組成表格由段寄存器來選取，段寄存器對地址選址的計算實際上是通過內(nèi)存描述符翻譯后進(jìn)行的。Vx Works的BSP簡化了該操作，幾個段寄存器都使用一個能覆蓋所有地址空間的全功能的GDT進(jìn)行工作。

對于Cache使能否，一般還會有針對所有的Cache、代碼 Cache、數(shù)據(jù) Cache、一級 Cache、二級Cache等不同的硬件開關(guān)，可能會在RomInit.s，Sys Alib.s通過匯編來操作，也可以在UsrInit，Usr－Root函數(shù)里面通過CacheEnable等函數(shù)來操作，需要檢查確認(rèn)。

1.4 映像文件的地址定位

一般而言，CPU上電后先是在只讀存儲器（ROM）（或Flash等）內(nèi)運行，為了提高運行速度，往往需要把代碼搬移到內(nèi)存去繼續(xù)執(zhí)行，數(shù)據(jù)相關(guān)段（Data、沒有初值的全局變量符號（BSS）段）則需指向內(nèi)存區(qū)域并得到正確的初始化，堆棧段也需要指向內(nèi)存，段與段之間需要滿足一定的定位關(guān)系，比如不互相重疊等。

以最常用的bootrom＿uncmp＋ Vx Works啟動組合為例：

（1）上電后執(zhí)行在只讀存儲器（ROM）里面的bootrom＿uncmp映像，初始化CPU、內(nèi)存控制器等，堆棧底設(shè)置在宏RAM＿HIGH＿ADRS決定的位置（棧頂朝地址低端）。

（2）ROM 里 面 的 程 序 會 把 ROM 里 面 的bootrom＿uncmp映像拷貝到起始位置是RAM＿HIGH＿ADRS的內(nèi)存區(qū)域，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存來繼續(xù)執(zhí)行。此時代碼段在RAM＿HIGH＿ADRS位置，數(shù)據(jù)段緊跟在代碼段后面，BSS段緊跟在數(shù)據(jù)段后面，BSS段后面是中斷使用的堆棧，然后是bootrom＿uncmp將要使用的內(nèi)存池，任務(wù)堆棧段會從內(nèi)存池申請。所以，要想讓bootrom＿uncmp正常執(zhí)行，需要確保RAM＿HIGH＿ADRS下面有足夠的空間夠ROM做搬移時的堆棧，RAM＿HIGH＿ADRS上面有足夠空間存放代碼、數(shù)據(jù)和用來做內(nèi)存申請。

（3）內(nèi)存里面bootrom＿uncmp的執(zhí)行會下載Vx Works，把Vx Works映像拷貝到起始位置是RAM＿LOW＿ADRS的內(nèi)存區(qū)域，然后跳到該內(nèi)存繼續(xù)執(zhí)行。為了確保bootrom＿uncmp拷貝 Vx－Works期間不會發(fā)生Vx Works覆蓋bootrom＿uncmp的現(xiàn)象，“RAM＿LOW＿ADRS＋Vx Works代碼段大小＋Vx Works數(shù)據(jù)段大小”所占的空間要盡量避免與bootrom＿uncmp需要使用的空間重疊。

（4）Vx Works獲得運行經(jīng)過再次初始化后，代碼段在RAM＿LOW＿ADRS位置，數(shù)據(jù)段緊跟在代碼段后面，BSS段緊跟在數(shù)據(jù)段后面，BSS段后面是中斷使用的堆棧，然后是WDB專用的內(nèi)存池，然后是Vx Works將要使用的內(nèi)存池，堆棧會先設(shè)置在RAM＿LOW＿ADRS開始朝下生長以滿足usr Root啟動前的使用，然后會設(shè)置到靠近系統(tǒng)內(nèi)存頂端以滿足usr Root的使用并利于回收到內(nèi)存池，以后的任務(wù)堆棧就是從內(nèi)存池里面申請。

可以看到RAM＿HIGH＿ADRS和RAM＿LOW＿ADRS 2個宏有著重要的定位意義，尤其是RAM＿LOW＿ADRS很大程度上決定了Vx Works的內(nèi)存布局，需要斟酌一個好的位置以便既保證正常啟動、又不至于造成內(nèi)存浪費（太高了會使內(nèi)存池縮?。?。因為既影響代碼，也影響鏈接，所以這兩個宏的修改需要在config.h里面和makefile里面同時修改并確保一致。

其它類型組合，如bootrom、bootrom＿res、Vx－Works＿rom等，結(jié)合編譯鏈接時產(chǎn)生的map文件或符號表文件，同樣可以做出類似的分析。

根據(jù)地址定位關(guān)系可以大概知道內(nèi)存池的起始位置，通過map文件或符號表文件來看，一般是BSS段的結(jié)束 ＋I(xiàn)SR＿STACK＿SIZE ＋ WDB＿STACK＿SIZE，而內(nèi)存池的結(jié)束位置由Sys Mem－Top函數(shù)決定，一般來說是 LOCAL＿M(jìn)EM＿LOCAL＿ADRS＋LOCAL＿M(jìn)EM＿SIZE－ USER＿RESERVED＿M(jìn)EM。

2 接口函數(shù)

接口函數(shù)主要是指創(chuàng)建內(nèi)存池、動態(tài)申請和釋放內(nèi)存的函數(shù)，但需要額外說明的是，當(dāng)書寫C／C＋＋源碼時，如果定義了一個全局變量（指函數(shù)體外的變量）并賦予了初值，則該變量會靜態(tài)占用數(shù)據(jù)段的空間，如果定義了一個全局變量但沒有賦予初值，則該變量會靜態(tài)占用BSS段的空間，如果定義了一個函數(shù)體內(nèi)的變量，則該變量會動態(tài)占用堆棧空間，這些編程實際上是在隱蔽地申請（或釋放）內(nèi)存。下面列舉常用的針對內(nèi)存池的接口函數(shù)。

2.1 第1類函數(shù)

第1類函數(shù)是主內(nèi)存的參數(shù)設(shè)置和使用：

設(shè)置內(nèi)存池的屬性，包括：

MEM＿ALLOC＿ERROR＿LOG＿FLAG

當(dāng)內(nèi)存分配出錯則打出log信息：

MEM＿ALLOC＿ERROR＿SUSPEND＿FLAG

當(dāng)任務(wù)內(nèi)存分配出錯，則把任務(wù)掛起（除非任務(wù)設(shè)置了VX＿UNBREAKABLE屬性）：

MEM＿BLOCK＿ERROR＿LOG＿FLAG

當(dāng)內(nèi)存釋放出錯則打出log信息：

MEM＿BLOCK＿ERROR＿SUSPEND＿FLAG

當(dāng)任務(wù)內(nèi)存釋放出錯，則把任務(wù)掛起（除非任務(wù)設(shè)置了VX＿UNBREAKABLE屬性）：

申請大小為nBytes的內(nèi)存，返回該內(nèi)存的ptr（其實就是該段內(nèi)存的起始地址）：

釋放已申請的一段內(nèi)存，傳入該段內(nèi)存的ptr（起始地址）作為參數(shù)：

申請elemSize＊elem Num大小的內(nèi)存，該段內(nèi)存會被清0：

申請size的內(nèi)存，內(nèi)存起始地址滿足alignment的要求。

2.2 第2類函數(shù)

第2類函數(shù)是單獨的內(nèi)存池的使用，實際上，主內(nèi)存池也是一個單獨的內(nèi)存池，其指針是全局變量

創(chuàng)建一個新的內(nèi)存池，起始地址是pPool，大小是poolSize，該段內(nèi)存可以是原來系統(tǒng)內(nèi)存池之外的某一段離散的內(nèi)存，也可以是從系統(tǒng)內(nèi)存池里面申請到的一段內(nèi)存。建立了單獨的內(nèi)存池，可以在該段內(nèi)存里面單獨申請和釋放內(nèi)存，而不影響其它的內(nèi)存。返回值是內(nèi)存池指針：

內(nèi)存池partId的參數(shù)配值，含義同 memOptionsSet：

在partId的內(nèi)存池里面申請nBytes的內(nèi)存：

釋放已申請的pBlock內(nèi)存回partId的內(nèi)存池：

在partId里面申請nBytes的內(nèi)存，內(nèi)存起始地址滿足alignment的要求。

2.3 第3類函數(shù)

第3類函數(shù)是內(nèi)存池的維護(hù)函數(shù)：增加一段新的內(nèi)存給主內(nèi)存池：

增加一段新的內(nèi)存給內(nèi)存池partId：

察看主內(nèi)存池的信息列表：

察看內(nèi)存池partId的信息列表。

3 應(yīng)用優(yōu)化

Vx Works申請內(nèi)存時使用空間首先滿足的算法，找到合適的塊，多出來的部分會單獨形成一個空塊，釋放內(nèi)存時會進(jìn)行相鄰空閑內(nèi)存塊的歸并，卻不會做碎片搬移和整理。因此動態(tài)內(nèi)存雖然使用方便，但大量的小內(nèi)存操作偶爾再穿插大內(nèi)存的操作會造成內(nèi)存池的碎片，最終沒有足夠的內(nèi)存使用。而且動態(tài)申請和釋放會帶來時間上的損失。所以，在應(yīng)用層，需要考慮靜態(tài)和動態(tài)的平衡，考慮到動態(tài)情況下大量相同內(nèi)存操作的優(yōu)化。

頻繁申請和釋放的內(nèi)存建議改成靜態(tài)的方式，以避免時間上的損失，如果不想使用全局?jǐn)?shù)組或結(jié)構(gòu)這樣的方式，也可以使用動態(tài)方式申請下來一塊內(nèi)存，然后進(jìn)行強制類型轉(zhuǎn)換。

如果跟任務(wù)動態(tài)運行有關(guān)，可以考慮放在任務(wù)的函數(shù)體內(nèi)，成為堆棧變量（任務(wù)的堆棧大小在創(chuàng)建任務(wù)時確定，如果擔(dān)心堆棧緊張，可以考慮對較大的變量只是把指針放在堆棧里面，而指針?biāo)傅膬?nèi)存則動態(tài)申請），不僅是動態(tài)的，而且了實現(xiàn)了任務(wù)與任務(wù)的隔離。

Vx Works上的網(wǎng)卡驅(qū)動就是采用這樣的方式來管理接收和發(fā)送緩沖：通過動態(tài)方式申請下來一塊內(nèi)存，建立不同大小的cluster的數(shù)組，并為cluster設(shè)置管理屬性，然后建立申請和釋放cluster的函數(shù)。

動態(tài)的大量相同內(nèi)存操作建議自己建立一套機(jī)制來管理，如通過message queue的協(xié)助來管理。

4 結(jié)束語

Vx Works是一個實時嵌入式操作系統(tǒng)，所以從嵌入式的角度來說，內(nèi)存配置工作是必不可少的。從實時的角度來說，掌握了通用的內(nèi)存管理函數(shù)后，還需要進(jìn)一步了解這些函數(shù)對實時性和安全性的影響，從而規(guī)劃一個比較穩(wěn)健的內(nèi)存管理系統(tǒng)。

［1］王金剛，高偉，蘇琪.Vx Work程序員指南［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［2］周戶平，張楊.Vx Work程序員速查手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.