FreeRTOS系列

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FreeRTOS系列

2024-06-28 14:10| 来源: 网络整理| 查看: 265

内存管理一

内存管理是一个系统基本组成部分，FreeRTOS中大量使用了内存管理，比如创建任务、信号量、队列等会自动从堆中申请内存。用户应用层代码也可以使用FreeRTOS提供的内存管理函数来申请和释放内存

1. 内存管理简介

FreeRTOS创建任务、信号量、队列等的时候有两种内存申请的方法：一种是动态的申请所需的RAM；一种是由用户自行定义所需的RAM（静态申请）

两者的区别动态内存静态内存时间不同发生在程序调入和执行的时候发生在程序编译和连接的时候空间不同堆只能动态分配；栈可以动态分配；动态分配由函数malloc进行（栈的动态分配由编译器进行）栈也可以静态分配；静态分配是编译器完成的

标准C库中的malloc()和free()函数也可以实现动态内存管理，但是其有如下缺陷：

在小型嵌入式系统中效率不高占据了相当大的一块代码空间它们几乎都不是安全的具有不确定性，每次执行的时间不同有可能产生内存碎片这两个函数会使得链接器配置得复杂若允许堆空间的生长方向覆盖其他变量占据的内存，会成为 debug 的灾难

内存碎片是指小块的、碎片化的内存。内存碎片是伴随着内存申请和释放而来的，如下图所示

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FreeRTOS使用pvPortMalloc()函数来替代malloc()申请内存，使用vPortFree()函数来替代 free()释放内存

不同的嵌入式系统对于内存分配和时间要求不同，内存分配算法可作为系统的可选选项，FreeRTOS使用者就可以使用适合的内存分配方法。FreeRTOS提供了5中内存分配方法，这5种方法分别对应heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c、heap_5.c这五个文件。下面将会详见介绍这五种方法的区别

分配方法区别heap_1.c最简单，但是只能申请内存，不能释放heap_2.c提供了内存释放函数，但是不能合并内存块，易导致内存碎片heap_3.c对标准C中的malloc()和free()的简单封装，并提供了线程保护heap_4.c在heap_2.c的基础上增加了内存块合并功能，降低了内存碎片的产生heap_5.c在heap_4.c的基础上，支持内存堆使用不连续的内存块 2. heap_1内存分配方法 2.1 分配方法介绍

动态内存分配需要一个内存堆，不管哪种分配方法，FreeRTOS中的内存堆都为uxHeap[]，大小为configTOTAL_HEAP_SIZE,其在heap_x.c（x为1~5）中定义

#if (configAPPLICATION_ALLCATED_HEAP == 1) extern uint8_t ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE]; //需要用户自行定义内存堆 #else static uint8_t ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE]; //编译器决定

heap_1内存分配的特点如下：

适用于创建好任务、信号量和队列就不会删除的应用具有可确定性，不会导致内存碎片代码实现和内存分配过程简单，内存是从一个静态数字中分配，适合于不需要动态内存分配的应用

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2.2 内存申请函数

heap_1的内存申请函数pvPortMalloc()源码如下：

void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize ){ void *pvReturn = NULL; static uint8_t *pucAlignedHeap = NULL; /* 确保字节对齐 */ #if( portBYTE_ALIGNMENT != 1 ) { if( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ){ /* 需要进行字节对齐 */ xWantedSize += (portBYTE_ALIGNMENT-(xWantedSize&portBYTE_ALIGNMENT_MASK)); } } #endif vTaskSuspendAll();//挂起任务调度器，申请内存过程不能被其他任务打断 { if( pucAlignedHeap == NULL ){ /* 确保内存堆的开始地址是字节对齐的 */ pucAlignedHeap = (uint8_t *)(((portPOINTER_SIZE_TYPE) &ucHeap[portBYTE_ALIGNMENT]) & (~((portPOINTER_SIZE_TYPE)portBYTE_ALIGNMENT_MASK))); } /* 检查是否有足够的内存供分配，以及是否越界 */ if(((xNextFreeByte + xWantedSize) xNextFreeByte)){ pvReturn = pucAlignedHeap + xNextFreeByte;//返回申请到的内存首地址 xNextFreeByte += xWantedSize; } traceMALLOC( pvReturn, xWantedSize ); } ( void ) xTaskResumeAll();//恢复任务调度器 #if( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 )//若使能了内存申请失败钩子函数 { if( pvReturn == NULL ){ extern void vApplicationMallocFailedHook(void);//钩子函数，用户自已实现 vApplicationMallocFailedHook(); } } #endif return pvReturn;//成功返回申请到的内存首地址，失败返回NULL } 2.3 内存释放函数

heap_1的内存释放函数vPortFree()源码如下：

void vPortFree( void *pv ){ /* 可以看出没有具体的释放过程，即申请内存成功就不允许释放 */ ( void ) pv; configASSERT( pv == NULL ); } 3. heap_2内存分配方法 3.1 分配方法介绍

heap_2提供了内存释放函数，但是缺点是不会把释放的内存块合并成大的内存块，因此随着不断的申请释放内存，内存堆就会被分为多个大小不一的内存块，也就是会导致内存碎片

内存块：为了实现内存释放，heap_2引入了内存块概念，每分出去一段内存就是一个内存块，剩下的空闲内存也是一个内存块，内存块大小不定。使用链表结构来管理内存块

typedef struct A_BLOCK_LINK { struct A_BLOCK_LINK *pxNextFreeBlock; //指向下一个空闲内存块 size_t xBlockSize; //当前空闲内存块大小 } BlockLink_t;

heap_2内存分配的特点如下：

可使用在可能会重复的删除任务、队列、信号量等的应用中若分配和释放的内存大小是随机的，不建议使用该分配方法具有不可确定性，但仍比标准C中的malloc()和free()效率高

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3.2 内存堆初始化函数

内存堆初始化函数prvHeapInit( )源码如下：

static void prvHeapInit( void ){ BlockLink_t *pxFirstFreeBlock; uint8_t *pucAlignedHeap; /* 确保内存堆开始地址是字节对齐的 */ pucAlignedHeap=(uint8_t *)(((portPOINTER_SIZE_TYPE)&ucHeap[portBYTE_ALIGNMENT])\ &(~((portPOINTER_SIZE_TYPE)portBYTE_ALIGNMENT_MASK))); /* xStart指向空闲内存块链表首 */ xStart.pxNextFreeBlock = ( void * ) pucAlignedHeap; xStart.xBlockSize = ( size_t ) 0; /* xEnd指向空闲内存块链表表尾 */ xEnd.xBlockSize = configADJUSTED_HEAP_SIZE; xEnd.pxNextFreeBlock = NULL; /* 初始化时只有一个空闲内存块，其大小就是可用的内存堆大小 */ pxFirstFreeBlock = ( void * ) pucAlignedHeap; pxFirstFreeBlock->xBlockSize = configADJUSTED_HEAP_SIZE; pxFirstFreeBlock->pxNextFreeBlock = &xEnd; }

初始化后的内存堆

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3.3 内存块插入函数

heap_2允许内存释放，可用使用内存块插入函数将释放的内存添加到内存链表中

#define prvInsertBlockIntoFreeList( pxBlockToInsert ){ BlockLink_t *pxIterator; size_t xBlockSize; xBlockSize = pxBlockToInsert->xBlockSize; /* 遍历链表，查找插入点 */ for(pxIterator=&xStart;pxIterator->pxNextFreeBlock->xBlockSizepxNextFreeBlock){ /* 不做任何操作 */ } /* 将内存块插入到插入点 */ pxBlockToInsert->pxNextFreeBlock = pxIterator->pxNextFreeBlock; pxIterator->pxNextFreeBlock = pxBlockToInsert; } 3.4 内存申请函数

内存申请函数源码如下

void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize ){ BlockLink_t *pxBlock, *pxPreviousBlock, *pxNewBlockLink; static BaseType_t xHeapHasBeenInitialised = pdFALSE; void *pvReturn = NULL; vTaskSuspendAll(); { /* 第一次申请内存需要初始化内存堆 */ if( xHeapHasBeenInitialised == pdFALSE ){ prvHeapInit(); xHeapHasBeenInitialised = pdTRUE; } /* 内存大小字节对齐，实际申请时还要加上结构体空间 */ if( xWantedSize > 0 ){ xWantedSize += heapSTRUCT_SIZE; /* xWantedSize做字节对齐 */ if( ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) != 0 ){ /* 字节对齐 */ xWantedSize += (portBYTE_ALIGNMENT - (xWantedSize&portBYTE_ALIGNMENT_MASK)); } } /* 申请的内存大小合理，则进行内存分配 */ if((xWantedSize > 0) && (xWantedSize pxPreviousBlock = pxBlock; pxBlock = pxBlock->pxNextFreeBlock; } /* 找到的可用内存块不能是链表尾xEnd */ if( pxBlock != &xEnd ){ /* 返回申请到的内存首地址 */ pvReturn=(void *)(((uint8_t *)pxPreviousBlock->pxNextFreeBlock)+heapSTRUCT_SIZE); /* 内存块已经被申请掉了，将该内存块从空闲内存块链表中移除 */ pxPreviousBlock->pxNextFreeBlock = pxBlock->pxNextFreeBlock; /* 如果申请到的内存减去所需内存还大于heapMINIMUM_BLOCK_SIZE */ if((pxBlock->xBlockSize - xWantedSize) > heapMINIMUM_BLOCK_SIZE){ /* 就把多余出来的内存重新组合成一个新的可用空闲内存块 */ pxNewBlockLink = ( void * ) ( ( ( uint8_t * ) pxBlock ) + xWantedSize ); pxNewBlockLink->xBlockSize = pxBlock->xBlockSize - xWantedSize; pxBlock->xBlockSize = xWantedSize; /* 将新的空闲内存块插入到空闲内存块链表中 */ prvInsertBlockIntoFreeList( ( pxNewBlockLink ) ); } xFreeBytesRemaining -= pxBlock->xBlockSize;//更新内存堆剩余内存大小 } } traceMALLOC( pvReturn, xWantedSize ); } (void) xTaskResumeAll();//恢复任务调度器 #if( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 ) { if( pvReturn == NULL ){ extern void vApplicationMallocFailedHook( void ); vApplicationMallocFailedHook(); } } #endif return pvReturn; } 3.5 内存释放函数

内存释放函数主要是将需要释放的内存所在的内存块添加到空闲内存块链表中

void vPortFree( void *pv ){ uint8_t *puc = ( uint8_t * ) pv; BlockLink_t *pxLink; if( pv != NULL ){ /* 要释放的内存首地址，需要减去heap结构体的内存大小 */ puc -= heapSTRUCT_SIZE; /* 防止编译器报错 */ pxLink = ( void * ) puc; vTaskSuspendAll(); { /* 将内存块添加到空闲内存块链表中 */ prvInsertBlockIntoFreeList( ( ( BlockLink_t * ) pxLink ) ); xFreeBytesRemaining += pxLink->xBlockSize; traceFREE( pv, pxLink->xBlockSize ); } ( void ) xTaskResumeAll(); } } 4. heap_3内存分配方法 4.1 分配方法介绍

heap_3是对标准C中的malloc()和free()的简单封装，并做了线程保护

heap_3内存分配的特点如下：

需要编译器提供一个内存堆，编译器库要提供malloc()和free()函数通过修改启动文件中的Heap_Size来修改内存堆的大小（STM32中）configTOTAL_HEAP_SZIE不起作用具有不确定性，并且会增加代码量 4.2 内存申请函数

内存申请函数

void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize ){ void *pvReturn; vTaskSuspendAll();//挂起任务调度器，提供线程保护 { pvReturn = malloc( xWantedSize );//调用malloc申请内存 traceMALLOC( pvReturn, xWantedSize ); } ( void ) xTaskResumeAll();//恢复任务调度器 #if( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 ) { if( pvReturn == NULL ){ extern void vApplicationMallocFailedHook( void ); vApplicationMallocFailedHook(); } } #endif return pvReturn; } 4.3 内存释放函数

内存释放函数

void vPortFree( void *pv ){ if( pv ){ vTaskSuspendAll();//挂起任务调度器，提供线程保护 { free( pv );//调用free释放内存 traceFREE( pv, 0 ); } ( void ) xTaskResumeAll();//恢复任务调度器 } } 5. heap_4内存分配方法 5.1 分配方法介绍

heap_4提供了一个最优的匹配算法，与heap_2不同，heap_4会将内存碎片合并成一个大的可用内存块

heap_4内存分配的特点如下：

可用在需要重复创建和删除任务、队列、信号量等的应用中不会像heap_2那样产生严重的内存碎片具有不确定性，但比标准C中的malloc()和free()效率高

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5.2 内存堆初始化函数

内存堆初始化函数

static void prvHeapInit( void ){ BlockLink_t *pxFirstFreeBlock; uint8_t *pucAlignedHeap; size_t uxAddress; size_t xTotalHeapSize = configTOTAL_HEAP_SIZE; /* 起始地址做字节对齐处理 */ uxAddress = ( size_t ) ucHeap; if( ( uxAddress & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) != 0 ){ uxAddress += ( portBYTE_ALIGNMENT - 1 ); uxAddress &= ~( ( size_t ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ); xTotalHeapSize -= uxAddress - ( size_t ) ucHeap; } pucAlignedHeap = ( uint8_t * ) uxAddress; /* xStars为空闲内存块链表头 */ xStart.pxNextFreeBlock = ( void * ) pucAlignedHeap; xStart.xBlockSize = ( size_t ) 0; /* pxEnd为空闲内存块链表尾 */ uxAddress = ( ( size_t ) pucAlignedHeap ) + xTotalHeapSize; uxAddress -= xHeapStructSize; uxAddress &= ~( ( size_t ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ); pxEnd = ( void * ) uxAddress; pxEnd->xBlockSize = 0; pxEnd->pxNextFreeBlock = NULL; /* 开始时内存堆整个空间是一个空闲内存块 */ pxFirstFreeBlock = ( void * ) pucAlignedHeap; pxFirstFreeBlock->xBlockSize = uxAddress - ( size_t ) pxFirstFreeBlock; pxFirstFreeBlock->pxNextFreeBlock = pxEnd; /* 只存在一个内存块，且该内存块大小为整个内存堆空间 */ xMinimumEverFreeBytesRemaining = pxFirstFreeBlock->xBlockSize; xFreeBytesRemaining = pxFirstFreeBlock->xBlockSize; /* Work out the position of the top bit in a size_t variable. */ xBlockAllocatedBit = ((size_t)1) /* 不做任何处理 */ } /* 若插入的内存块可以和前一个内存块合并的话就合并两个内存块 */ puc = ( uint8_t * ) pxIterator; if( ( puc + pxIterator->xBlockSize ) == ( uint8_t * ) pxBlockToInsert ){ pxIterator->xBlockSize += pxBlockToInsert->xBlockSize; pxBlockToInsert = pxIterator; } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } /* 检查是否可以与后面的内存块合并 */ puc = ( uint8_t * ) pxBlockToInsert; if( ( puc + pxBlockToInsert->xBlockSize ) == ( uint8_t * ) pxIterator->pxNextFreeBlock ){ if( pxIterator->pxNextFreeBlock != pxEnd ){ /* 将两个内存块合并成一个大的内存块 */ pxBlockToInsert->xBlockSize += pxIterator->pxNextFreeBlock->xBlockSize; pxBlockToInsert->pxNextFreeBlock = pxIterator->pxNextFreeBlock->pxNextFreeBlock; } else{ pxBlockToInsert->pxNextFreeBlock = pxEnd; } } else{ pxBlockToInsert->pxNextFreeBlock = pxIterator->pxNextFreeBlock; } /* 若不等于，表示内存块插入过程中没有进行过内存块合并 */ if( pxIterator != pxBlockToInsert ){ pxIterator->pxNextFreeBlock = pxBlockToInsert; } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } } 5.4 内存申请函数

内存申请函数

void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize ){ BlockLink_t *pxBlock, *pxPreviousBlock, *pxNewBlockLink; void *pvReturn = NULL; vTaskSuspendAll(); { /* 若第一次调用，则需初始化内存堆 */ if( pxEnd == NULL ){ prvHeapInit(); } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } /* 需要申请的内存块大小的最高位不能为1，最高位是用来记录内存块有没有被使用 */ if( ( xWantedSize & xBlockAllocatedBit ) == 0 ){ /* 实际申请的内存数需要加上结构体的大小 */ if( xWantedSize > 0 ){ xWantedSize += xHeapStructSize; /* xWantedSize做字节对齐 */ if( ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) != 0x00 ){ /* 字节对齐 */ xWantedSize += (portBYTE_ALIGNMENT-(xWantedSize&portBYTE_ALIGNMENT_MASK)); configASSERT((xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK) == 0); } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } if((xWantedSize > 0) && (xWantedSize pxPreviousBlock = pxBlock; pxBlock = pxBlock->pxNextFreeBlock; } /* 如果找到的内存块是pxEnd的话就表示没有内存可以分配 */ if( pxBlock != pxEnd ){ /* 找到内存块后将内存首地址保存到pvReturn中 */ pvReturn = (void *)(((uint8_t *)pxPreviousBlock->pxNextFreeBlock) + xHeapStructSize); /* 内存块已经被申请了，需要将该内存块从空闲内存块链表中移除 */ pxPreviousBlock->pxNextFreeBlock = pxBlock->pxNextFreeBlock; /* 如果申请到的内存块大于所需内存，就将其分成两块 */ if((pxBlock->xBlockSize - xWantedSize) > heapMINIMUM_BLOCK_SIZE){ /* 就把多余出来的内存重新组合成一个新的可用空闲内存块 */ pxNewBlockLink = ( void * ) ( ( ( uint8_t * ) pxBlock ) + xWantedSize ); configASSERT(((( size_t) pxNewBlockLink) & portBYTE_ALIGNMENT_MASK) == 0); pxNewBlockLink->xBlockSize = pxBlock->xBlockSize - xWantedSize; pxBlock->xBlockSize = xWantedSize; /* 将新的空闲内存块插入到空闲内存块链表中 */ prvInsertBlockIntoFreeList( pxNewBlockLink ); } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } xFreeBytesRemaining -= pxBlock->xBlockSize;//更新内存堆剩余内存大小 if( xFreeBytesRemaining mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } /* 内存块申请成功，标记此内存块已经被使用 */ pxBlock->xBlockSize |= xBlockAllocatedBit; pxBlock->pxNextFreeBlock = NULL; } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } traceMALLOC( pvReturn, xWantedSize ); } ( void ) xTaskResumeAll(); #if( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 ) { if( pvReturn == NULL ){ extern void vApplicationMallocFailedHook( void ); vApplicationMallocFailedHook(); } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } } #endif configASSERT((((size_t)pvReturn) & (size_t)portBYTE_ALIGNMENT_MASK) == 0); return pvReturn; } 5.5 内存释放函数

内存释放函数

void vPortFree( void *pv ){ uint8_t *puc = ( uint8_t * ) pv; BlockLink_t *pxLink; if( pv != NULL ){ /* 获取内存块的BlockLink_t结构体 */ puc -= xHeapStructSize; /* 防止编译器报错 */ pxLink = ( void * ) puc; /* 确认要释放的内存块是被使用了的 */ configASSERT( ( pxLink->xBlockSize & xBlockAllocatedBit ) != 0 ); configASSERT( pxLink->pxNextFreeBlock == NULL ); if( ( pxLink->xBlockSize & xBlockAllocatedBit ) != 0 ){ if( pxLink->pxNextFreeBlock == NULL ){ /* 将xBlockSize最高位清零，重新标记次内存块没有使用 */ pxLink->xBlockSize &= ~xBlockAllocatedBit; vTaskSuspendAll(); { /* 将内存块插入到空闲内存链表中 */ xFreeBytesRemaining += pxLink->xBlockSize; traceFREE( pv, pxLink->xBlockSize ); prvInsertBlockIntoFreeList( ( ( BlockLink_t * ) pxLink ) ); } ( void ) xTaskResumeAll(); } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } } else{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } } } 6. heap_5内存分配方法 6.1 分配方法介绍

heap_5使用与heap_4相同的合并算法，内存管理基本相同。但是heap_5允许内存堆跨越多个不连续的内存段。比如外接了SRAM的STM32，如果使用heap_4的话就只能在内部RAM和外部SRAM中二选一，若使用heap_5则两个都可以一起作为内存堆来使用

使用heap_5的话，需要在调用API函数之前先调用函数 vPortDefineHeapRegions() 来对内存堆做初始化处理，在内存堆初始化完成之前禁止调用内存申请函数，其函数原型如下：

void vPortDefineHeapRegions( (const HeapRegion_t *) xHeapRegions) //其参数是一个HeapRegion_t类型的数组 typedef struct HeapRegion { uint8_t *pucStartAddress; //内存块的起始地址 size_t xSizeInBytes; //内存段大小 }HeapRegion_t;

以STM32F103为例，现有两个内存段：内部SRAM和外部SRAM，起始地址分别为：0x20000000、0x68000000，大小分别为：64KB，1MB，那么数组就如下：

HeapRegion_t xHeapRegions[] = { {(uint8_t *)0x20000000UL,0x10000}, //内部SRAM内存 {(uint8_t *)0x68000000UL,0x100000}, //外部SRAM内存 {NULL,0} //必须添加的数组结尾 }

heap_5的内存申请与释放函数和heap_4的基本一样，可参考heap_4的内存申请与释放函数

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FreeRTOS内存管理实例

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