TI OSAL内存管理实现方式

ID:351097 · 发表于 2020-1-15 00:53

本帖最后由没有你于 2020-1-16 00:25 编辑

之前发的帖子介绍了OSAL在STC8A8K64S4A12单片机的移植方式和简单使用，今天就简单介绍一下OSAL的内存管理方式。在介绍之前，首先要了解单片机的栈和堆的区别。一提到“栈”，很容易想到单片机的压栈（PUSH）和出栈（POP）中用到的栈，这个栈是系统自动分配和释放的，具体分配多少栈空间，在程序编译后就已经确定不变了、而且无法更改。子函数内部的局部变量定义和使用，也是系统自动分配栈空间来保存变量，等函数执行完，系统就会将栈空间收回。另一个“堆”，就没有“栈”那么熟悉了，因为初学者用单片机的时候，不会想到用堆的，也比较少接触。“堆”就是用户自己管理的内存空间，一般都是定义一个大数组全局变量，再基于这个数组的内存空间做管理。自己编写类似malloc和free函来实现内存空间的申请和释放，即需要用到空间，要自己申请，等空间使用周期结束了，还要自己释放空间。
既然 “栈”那么方便，由系统自动申请，自动释放，肯定比自己去管理方便多了，那为什么还要“堆”呢？前面讲过，“栈”空间的使用在程序编译后就定死了，无法自己制定使用多大的栈，这样就很不方便，尤其是在传输处理动态数据流的时候就很麻烦。那肯定有人想过，在函数里面定义一个很大的数组局部变量，那不就可以应对各种各样的数据流了。如果在函数里面定义很大的数组，系统在跑的使用，其他函数也会用到栈空间哦，一旦栈空间使用过大导致内存溢出，那系统肯定奔溃了。“堆”就不一样了，要用多少空间，完全可以动态申请，需要多少，就申请多少。由于是在自己定义全局数组变量的地址上管理内存操作，不怕内存溢出。
栈和堆的共同点和区别：
1、共同点：a：都是占用ram空间；
                  b：可使用最大ram空间在程序编译后就确定不变了；
2、区别：栈空间由系统自动申请和释放，堆空间由用户自己申请和释放。
接下来介绍一下OSAL的内存管理，OSAL的内存管理是堆管理，OSAL_Memory.c里面定义了一个很大的数组theHeap，内存管理把堆空间分成两个部分，第一个部分是针对小块内存的管理，第二部分是针对大块内存的管理。这样做的好处是容易申请到连续的大空间，因为小块内存处理会使整个内存空间碎片化，那么会导致内存空间不连续，不连续的空间是对申请大空间是非常不利的。在申请堆空间时，会自动合并之前释放的free块，等到找到合适连续块时，会自动裁剪多余的块空间，以免造成空间的浪费。
  下面列举出已去除其他无关代码和修改部分名称后的内存管理代码，代码处理有详细注释，还有测试过程。另外，代码的测试是基于STC8A8K64S4A12单片机，ram空间为8K。
首先是相关宏和变量定义
//堆总空间
#define HEAP_SIZE 2048
#define HEAPMEM_IN_USE          0x8000

//堆空间结束位置
#define HEAP_LASTBLK_IDX    ((HEAP_SIZE / HEAPMEM_HDRSZ) - 1)
//区分块位置
#define HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT (HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET / HEAPMEM_HDRSZ)
//大块起始位置
#define HEAPMEM_BIGBLK_IDX       (HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT + 1)

//首部大小
#define HEAPMEM_HDRSZ             sizeof(heapMemHdr_t)
//最小块大小
#define HEAPMEM_MIN_BLKSZ       (HEAPMEM_ROUND((HEAPMEM_HDRSZ * 2)))
//小块大小
#define HEAPMEM_SMALL_BLKSZ    (HEAPMEM_ROUND(16))
//默认长块大小
#define HEAPMEM_LL_BLKSZ       (HEAPMEM_ROUND(417) + (19 * HEAPMEM_HDRSZ))

//小块总空间
#define HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET  ((HEAPMEM_SMALL_BLKSZ * HEAPMEM_SMALL_BLKCNT) + HEAPMEM_LL_BLKSZ)
//大块总空间
#define HEAPMEM_BIGBLK_SZ       (HEAP_SIZE - HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET - HEAPMEM_HDRSZ*2)

//默认小块数量
#define HEAPMEM_SMALL_BLKCNT    8
// 调整申请内存大小宏操作（如申请17字节空间，则调整为18字节）
#define HEAPMEM_ROUND(X)    ((((X) + HEAPMEM_HDRSZ - 1) / HEAPMEM_HDRSZ) * HEAPMEM_HDRSZ)

typedef struct {
  unsigned len : 15;//本快的长度最大为2^16-1个字节，且申请空间的最小粒度为2个字节
  unsigned inUse : 1;//标志位表示本快是否已经被使用
} heapMemHdrHdr_t;

typedef union {
  //因此，当halDataAlign\u t小于UINT16时，编译器强制结构对齐最大的元素，而不会在目标上浪费空间。
  uint8 alignDummy;
  uint16 val;//存储上一块长度，in use信息
  heapMemHdrHdr_t hdr;//快头指针
} heapMemHdr_t;

static __no_init heapMemHdr_t all_heap[HEAP_SIZE];//定义堆空间数组
static __no_init heapMemHdr_t *ff1;  //第一个空块

static uint8 heapMemStat = 0x01;          // 离散状态标志 0x01：踢出
说明，每个all_heap元素占用2个字节，即16个bit，最高位bit代表使用状态，1表示非free，0表示free。剩下15个bit可以表示32768个byte堆空间，高达32K了，应付51单片机是完全没有问题的。定义了一个全局数组变量all_heap作为堆总空间，大小为2048个byte。可以根据单片机资源自行修改堆总空间大小，宏HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT 是小块内存和大块内存的分界数值。

下面是堆空间初始化函数
void heap_init(void)
{
  all_heap[HEAP_LASTBLK_IDX].val = 0;//在堆的末尾设置一个空块，以便与零进行快速比较
  ff1 = all_heap;//设置管理小块空间的首部
  ff1->val = HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET;
//设置划分小块空间与大块空间的首部
  all_heap[HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT].val = (HEAPMEM_HDRSZ | HEAPMEM_IN_USE);
  // 设置管理大块空间首部
  all_heap[HEAPMEM_BIGBLK_IDX].val = HEAPMEM_BIGBLK_SZ;  // Set 'len' & clear 'inUse' field.
}

下面是执行heap_init()之后的内存地址空间示例（初始地址是某次上电随机出现的）

use	value	地址	对应数组
0	584	0x036d - 0x036e	all_heap[0]
0	-	-	-
0	-	-	-
1	2	0x05b5 - 0x05b6	all_heap[292]
0	1460	0x05b7 - 0x05b8	all_heap[293]
0	-	-	-
0	-	-	-
0	0	0x0b6b - 0x0b6c	all_heap[1023]

说明，第一个all_heap[0]存放这个小块空间首部，这个首部有小块空间剩余量，584表示可以使用584个byte的小块空间，每次有小块空间申请成功，这个剩余值就会减少。蓝色标注的是小块内存和大块内存的格挡板，位置为all_heap[292]，状态标为1表示已使用，这样在小块内存在分配内存的时候就不会合并到大块内存上面。all_heap[293]存放大块空间首部，这个首部有大块空间剩余量，1460表示可以使用1460个byte的大块空间，每次有大块空间申请成功，这个剩余值就会减少。堆末尾all_heap[1023]值被初始化为0，以便与零进行快速比较。从0x036d-0x0b6c这2048个byte空间就是本次堆的全部空间大小。

下面是堆空间申请函数
void *heap_alloc(uint16 size)
{
  heapMemHdr_t *prev = NULL;
  heapMemHdr_t *hdr;
  uint8 intState;
  uint8 coal = 0;
  size += HEAPMEM_HDRSZ; //给需要申请的空间分配一个管理首部
//进入临界区

  //调整size大小，是空间对齐（与处理器和编译器相关）
  if ( sizeof( uint8 ) == 2 )//假设uint8占用2个字节
  {
size += (size & 0x01);//假设为196个，则size为196；假设为197个，则size要198才满足
  }
  else if ( sizeof( uint8 ) != 1 )
  {
const uint8 mod = size % sizeof( uint8 );

if ( mod != 0 )
{
   size += (sizeof( uint8 ) - mod);
}
  }
  //判断小块内存空间是否足够分配，否则向大块内存空间申请
  if ((heapMemStat == 0) || (size <= HEAPMEM_SMALL_BLKSZ))
  {
hdr = ff1;//小块内存，从ff1开始查找

  }
  else
  {
hdr = (all_heap + HEAPMEM_BIGBLK_IDX);//从大块开始查找
  }
  //开始迭代的寻找适合的内存空间
  do
  {
if ( hdr->hdr.inUse )//遇到非free块
{
   coal = 0;//告诉下一块，本块非free
}
else //遇到free块
{
   if ( coal != 0 )//上一块是free块
   {
      prev->hdr.len += hdr->hdr.len;//两个free块合并相邻内存空间

      if ( prev->hdr.len >= size )  //合并后的大小满足size
      {
      hdr = prev;  //得到块的地址
      break;
      }
   }
   else //上一块是非free块
   {
      if ( hdr->hdr.len >= size )//一个快的大小就可以满足情况，分配，跳出循环返回
      {
      break;
      }

      coal = 1;//否则，标记coal为1，告诉下一块，本快是free的
      prev = hdr; //保存当前内存地址
   }
}
//(uint8 *)hdr这个操作使本来2个字节，强制转换成1个字节
hdr = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + hdr->hdr.len);//经典malloc实现方式，迭代下一块

if ( hdr->val == 0 )//已经到达堆底部（初始化时，已经让堆底为零，方便识别）
{
   hdr = NULL;//空指针，表示找不到合适size块
   break;
}
  }while(1);

  if ( hdr != NULL )//已经找到合适size块
  {
uint16 tmp = hdr->hdr.len - size;//表示块的大小大于请求的大小时，为了不浪费空间，还要把块切开
//确定是否满足拆分阈值
if ( tmp >= HEAPMEM_MIN_BLKSZ )//剩下的大小可以单独成为一个free块
{
   heapMemHdr_t *next = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + size);
   next->val = tmp;                   // 告诉后一个块自己的信息
   hdr->val = (size | HEAPMEM_IN_USE);  // value代表前一块的大小和使用情况，这样相当于双向链表
}
else
{
   hdr->hdr.inUse = TRUE; //标记本块已经被使用
}

if ((heapMemStat != 0) && (ff1 == hdr))
{
   ff1 = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + hdr->hdr.len);
}
hdr++;
  }
  //退出临界区
  return (void *)hdr;
}

其中，size是申请空间的多少，每次申请空间为1个byte。比如要申请10个元素uint16类型的数组，代码可以写：
uint16 *test；
test = (uint16*)heap_alloc(20);

下面写一段代码来测试heap_alloc函数
   heap_init(); //初始化堆
   uint8 *test1;
   uint16 *test2;
   uint32 *test3;
   uint8 *test4;
   test1 = (uint8 *)heap_alloc(1);
   test2 = (uint16 *)heap_alloc(2);
   test3 = (uint32 *)heap_alloc(4);
   test4 = (uint8 *)heap_alloc(1);
下面是测试代码运行后申请空间情况示例（地址：0x036d-0x037e）

0x03-前缀	6d	6e	6f	70	71	72	73	74	75	76	77	78	79	7a	7b	7c	7d	7e
申请块			test1			test2				test3						Test4
标识块	584			581				577						571			568

说明，灰色标识前后块信息（非free态），里面的数值是剩余byte空间，本次测试执行后，总共用去16个byte（地址0x036d-0x037e）空间，其中8个byte用于剩余头部信息存储，8个bytes才是有效空间。每个申请内存块都带有前后信息块，借鉴了双向链表的数据结构。568没有颜色的表示free态。

下面是堆空间释放函数
void heap_free(void *ptr)
{
  //如果heapMemHdr_t为2个字节，则下面指针减去1，物理地址会改变2
  heapMemHdr_t *hdr = (heapMemHdr_t *)ptr - 1;//获取该内存空间首部
  uint8 intState;
  //进入中断临界
  hdr->hdr.inUse = FALSE; //标记使用状态为：未使用

  if (ff1 > hdr)
  {
ff1 = hdr;//调整ff1位置
  }
  //退出中断临界
}

比如执行heap_free(test1)，传入地址为0x036f，执行过程中会将0x036d的状态标为free态，也就是释放掉堆占用了，584那块会由灰色变成无色。那么，下次申请空间的时候，可以申请使用这块内存（地址：0x036d-0x037e）

0x03-前缀	6d	6e	6f	70	71	72	73	74	75	76	77	78	79	7a	7b	7c	7d	7e
申请块						test2				test3						Test4
标识块	584			581				577						571			568

上面的示例是小内存的管理过程，大内存的管理也是一样的过程，这里就不列举了。
在实际项目中，搭载TI OSAL的ble芯片或者zibee芯片运行都非常稳定，这也要归功于OSAL高效可靠的内存管理。非常值得研究和借鉴！

ID:117433 · 发表于 2020-1-15 16:46

你写这么多，为什么就不能让大家都拿来就用体验一下

ID:351097 · 发表于 2020-1-15 20:43

xizhe2005 发表于 2020-1-15 16:46
你写这么多，为什么就不能让大家都拿来就用体验一下

兄弟，代码都亮出了，不就可以体验了吗

ID:117433 · 发表于 2020-1-17 09:31

给个现成的KEIL工程，让我下载到我的单片机里，谢了，我不太懂原理，只是个用户

ID:351097 · 发表于 2020-1-17 13:14

xizhe2005 发表于 2020-1-17 09:31
给个现成的KEIL工程，让我下载到我的单片机里，谢了，我不太懂原理，只是个用户

我电脑安装keil打开没响应，所以没有搞keil工程。你直接把现成的代码添加到你的keil工程里面，编译不成问题的。

ID:117433 · 发表于 2020-1-17 16:46

你都没试过呀，那你怎么知道没问题

ID:351097 · 发表于 2020-1-17 19:09

xizhe2005 发表于 2020-1-17 16:46
你都没试过呀，那你怎么知道没问题

我在IAR平台调试的

ID:351097 · 发表于 2020-1-17 19:24

xizhe2005 发表于 2020-1-17 16:46
你都没试过呀，那你怎么知道没问题

就算有点问题，应该也是数据类型定义那边修改一下就可以了。

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