「正点原子STM32Mini板资料连载」第三十二章内存管理实验

2020-4-13 12:06:05 1230

0 本帖最后由正点原子运营官于 2020-4-13 12:05 编辑 1）实验平台：正点原子STM32mini开发板 2）摘自《正点原子STM32 不完全手册(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子第三十二章内存管理实验上一章，我们在 STM32 FLASH 写入的时候，需要一个 1024 字节的 16 位数组，实际上占用了 2K 字节，而这个数组几乎只能给 STMFLASH_Write 一个函数使用，其实这是非常浪费内存的一种做法，好的办法是：我需要的时候，申请 2K 字节，用完了我释放掉。这样就不会出现一个大数组仅供一个函数使用的浪费现象了，这种内存的申请与释放，就需要用到内存管理。本章，我们将学习内存管理，实现对内存的动态管理。本章分为如下几个部分： 32.1 内存管理简介 32.2 硬件设计 32.3 软件设计 32.4 下载验证 32.1 内存管理简介内存管理，是指软件运行时对计算机内存资源的分配和使用的技术。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在适当的时候释放和回收内存资源。内存管理的实现方法有很多种，他们其实最终都是要实现两个函数：malloc 和 free；malloc 函数用于内存申请，free 函数用于内存释放。本章，我们介绍一种比较简单的办法来实现：分块式内存管理。下面我们介绍一下该方法的实现原理，如图 32.1.1 所示：图 32.1.1 分块式内存管理原理从上图可以看出，分块式内存管理由内存池和内存管理表两部分组成。内存池被等分为 n块，对应的内存管理表，大小也为 n，内存管理表的每一个项对应内存池的一块内存。内存管理表的项值代表的意义为：当该项值为 0 的时候，代表对应的内存块未被占用，当该项值非零的时候，代表该项对应的内存块已经被占用，其数值则代表被连续占用的内存块数。比如某项值为 10，那么说明包括本项对应的内存块在内，总共分配了 10 个内存块给外部的某个指针。内寸分配方向如图所示，是从顶→底的分配方向。即首先从最末端开始找空内存。当内存管理刚初始化的时候，内存表全部清零，表示没有任何内存块被占用。分配原理当指针 p 调用 malloc 申请内存的时候，先判断 p 要分配的内存块数（m），然后从第 n 项开始，向下查找，直到找到 m 块连续的空内存块（即对应内存管理表项为 0），然后将这 m 个内存管理表项的值都设置为 m（标记被占用），最后，把最后的这个空内存块的地址返回指针 p，完成一次分配。注意，如果当内存不够的时候（找到最后也没找到连续的 m 块空闲内存），则返回 NULL 给 p，表示分配失败。释放原理当 p 申请的内存用完，需要释放的时候，调用 free 函数实现。free 函数先判断 p 指向的内存地址所对应的内存块，然后找到对应的内存管理表项目，得到 p 所占用的内存块数目 m（内存管理表项目的值就是所分配内存块的数目），将这 m 个内存管理表项目的值都清零，标记释放，完成一次内存释放。关于分块式内存管理的原理，我们就介绍到这里。 32.2 硬件设计本章实验功能简介：开机后，显示提示信息，等待外部输入。KEY0 按键用于申请内存，每次申请 2K 字节内存。KEY1 按键用于写数据到申请到的内存里面。WK_UP 按键用于释放内存。DS0 用于指示程序运行状态。本章我们还可以通过 USMART 调试，测试内存管理函数。本实验用到的硬件资源有： 1）指示灯 DS0 2）四个按键 3）串口 4） TFTLCD 模块这些我们都已经介绍过，接下来我们开始软件设计。 32.3 软件设计打开上一章的工程，由于本章没有用到 FLASH 模拟 EEPROM 功能，所以，先去掉 stmflash.c（此时 HARDWARE 组剩下：key.c、led.c 和 lcd.c）。然后，我们将内存管理部分单独做一个分组，在工程目录下新建一个 MALLOC 的文件夹，然后新建 malloc.c 和 malloc.h 两个文件，将他们保存在 MALLOC 文件夹下。在上一章的工程里面新建一个 MALLOC 的组，然后将 malloc.c 文件加入到该组，并将MALLOC 文件夹添加到头文件包含路径。打开 malloc.c 文件，输入如下代码： #include "malloc.h" //内存池(4 字节对齐) //内存池(4 字节对齐) __align(4) u8 membase[MEM_MAX_SIZE]; //SRAM 内存池 //内存管理表 u16 memmapbase[MEM_ALLOC_TABLE_SIZE]; //SRAM 内存池 MAP //内存管理参数 const u32 memtblsize=MEM_ALLOC_TABLE_SIZE; //内存表大小 const u32 memblksize=MEM_BLOCK_SIZE; //内存分块大小 const u32 memsize=MEM_MAX_SIZE; //内存总大小 //内存管理控制器 struct _m_mallco_dev mallco_dev= { mem_init, //内存初始化 mem_perused, //内存使用率 membase, //内存池 memmapbase, //内存管理状态表 0, //内存管理未就绪 }; //复制内存 //des:目的地址 //src:源地址 //n:需要复制的内存长度(字节为单位) void mymemcpy(void des,void src,u32 n) { u8 xdes=des; u8 xsrc=src; while(n--)xdes++=xsrc++; } //设置内存 //s:内存首地址 //c :要设置的值 //count:需要设置的内存大小(字节为单位) void mymemset(void s,u8 c,u32 count) { u8 xs = s; while(count--)xs++=c; } //内存管理初始化 void mem_init(void) { mymemset(mallco_dev.memmap, 0,memtblsize2);//内存状态表数据清零 mymemset(mallco_dev.membase, 0,memsize); //内存池所有数据清零 mallco_dev.memrdy=1; //内存管理初始化 OK } //获取内存使用率 //返回值:使用率(0~100) u8 mem_perused(void) { u32 used=0; u32 i; for(i=0;i)used++; return (used100)/(memtblsize); } //内存分配(内部调用) //memx:所属内存块 //size:要分配的内存大小(字节) //返回值:0XFFFFFFFF,代表错误;其他,内存偏移地址 u32 mem_malloc(u32 size) { signed long offset=0; u16 nmemb; //需要的内存块数 u16 cmemb=0;//连续空内存块数 u32 i; if(!mallco_dev.memrdy)mallco_dev.init(); //未初始化,先执行初始化 if(size==0)return 0XFFFFFFFF; //不需要分配 nmemb=size/memblksize; //获取需要分配的连续内存块数 if(size%memblksize)nmemb++; for(offset=memtblsize-1;offset>=0;offset--) //搜索整个内存控制区 { if(!mallco_dev.memmap[offset])cmemb++; //连续空内存块数增加 else cmemb=0; //连续内存块清零 if(cmemb==nmemb) //找到了连续 nmemb 个空内存块 { for(i=0;i return (offsetmemblksize); //返回偏移地址 } } return 0XFFFFFFFF;//未找到符合分配条件的内存块 } //释放内存(内部调用) //offset:内存地址偏移 //返回值:0,释放成功;1,释放失败; u8 mem_free(u32 offset) { int i; if(!mallco_dev.memrdy)//未初始化,先执行初始化 { mallco_dev.init(); return 1;//未初始化 } if(offset { int index=offset/memblksize; //偏移所在内存块号码 int nmemb=mallco_dev.memmap[index]; //内存块数量 for(i=0;i return 0; }else return 2;//偏移超区了. } //释放内存(外部调用) //ptr:内存首地址 void myfree(void ptr) { u32 offset; if(ptr==NULL)return;//地址为 0. offset=(u32)ptr-(u32)mallco_dev.membase; mem_free(offset); //释放内存 } //分配内存(外部调用) //size:内存大小(字节) //返回值:分配到的内存首地址. void mymalloc(u32 size) { u32 offset; offset=mem_malloc(size); if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL; else return (void)((u32)mallco_dev.membase+offset); } //重新分配内存(外部调用) //ptr:旧内存首地址 //size:要分配的内存大小(字节) //返回值:新分配到的内存首地址. void myrealloc(void ptr,u32 size) { u32 offset; offset=mem_malloc(size); if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL; else { mymemcpy((void)((u32)mallco_dev.membase+offset),ptr,size);//拷贝 myfree(ptr); //释放旧内存 return (void)((u32)mallco_dev.membase+offset); //返回新内存首地址 } } 这里，我们通过内存管理控制器 mallco_dev 结构体（mallco_dev 结构体见 malloc.h），实现对内存池的管理控制。内存池，定义为： __align(4) u8 membase[MEM_MAX_SIZE]; //SRAM 内存池其中，MEM_MAX_SIZE 是在 malloc.h 里面定义的内存池大小。__align(4)定义内存池为 4字节对齐，这个非常重要！如果不加这个限制，在某些情况下（比如分配内存给结构体指针），可能出现错误，所以一定要加上这个。此部分代码的核心函数为：mem_malloc 和 mem_free，分别用于内存申请和内存释放。思路就是我们在 32.1 接所介绍的那样分配和释放内存，不过这两个函数只是内部调用，外部调用我们使用的是 mymalloc 和 myfree 两个函数。其他函数我们就不多介绍了，保存 malloc.c，然后，打开 malloc.h，在该文件里面输入如下代码： #ifndef __MALLOC_H #define __MALLOC_H typedef unsigned long u32; typedef unsigned short u16; typedef unsigned char u8; #ifndef NULL #define NULL 0 #endif //内存参数设定. #define MEM_BLOCK_SIZE 32 //内存块大小为 32 字节 #define MEM_MAX_SIZE 421024 //最大管理内存 42K #define MEM_ALLOC_TABLE_SIZE MEM_MAX_SIZE/MEM_BLOCK_SIZE //内存表大小 //内存管理控制器 struct _m_mallco_dev { void (init)(void); //初始化 u8 (perused)(void); //内存使用率 u8 membase; //内存池 u16 memmap; //内存管理状态表 u8 memrdy; //内存管理是否就绪 }; extern struct _m_mallco_dev mallco_dev; //在 mallco.c 里面定义 void mymemset(void s,u8 c,u32 count); //设置内存 void mymemcpy(void des,void src,u32 n);//复制内存 void mem_init(void); //内存管理初始化函数(外/内部调用) u32 mem_malloc(u32 size); //内存分配(内部调用) u8 mem_free(u32 offset); //内存释放(内部调用) u8 mem_perused(void); //得内存使用率(外/内部调用) //用户调用函数 void myfree(void ptr); //内存释放(外部调用) void mymalloc(u32 size); //内存分配(外部调用) void myrealloc(void ptr,u32 size); //重新分配内存(外部调用) #endif 这部分代码，定义了很多关数据：MEM_BLOCK_SIZE 是内存管理最小分配单元，为 32字节。MEM_MAX_SIZE 是内存池总大小，为 42K。MEM_ALLOC_TABLE_SIZE 代表内存池的内存管理表大小。从这里可以看出，如果内存分块越小，那么内存管理表就越大，当分块为 2 字节 1 个块的时候，内存管理表就和内存池一样大了（管理表的每项都是 u16 类型）。显然是不合适的，我们这里取 32 字节，比例为 1:16，内存管理表相对就比较小了。其他就不多说了，大家自行看代码理解就好。保存此部分代码。最后，打开 main.c 文件，修改代码如下： int main(void) { u8 key; u8 i=0; u8 p=0;u8 tp=0; u8 paddr[18]; //存放 P Addr:+p 地址的 ASCII 值 HAL_Init(); //初始化 HAL 库 Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //设置时钟,72M delay_init(72); //初始化延时函数 uart_init(115200); //初始化串口 LED_Init(); //初始化 LED KEY_Init(); //初始化按键 LCD_Init(); //初始化 LCD mem_init(); //初始化内存池 POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色 LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"Mini STM32"); LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"MALLOC TEST"); LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK"); LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2019/11/15"); LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"KEY0:Malloc"); LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"KEY1:Write Data"); LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"WK_UP:Free"); POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色 LCD_ShowString(60,190,200,16,16,"SRAM USED: %"); while(1) { key=KEY_Scan(0);//不支持连按 switch(key) { case 0: break; //没有按键按下 case 1: //KEY0 按下 p=mymalloc(2048); //申请 2K 字节 if(p!=NULL)sprintf((char)p,"Memory Malloc Test%03d",i);//向p写入内容 break; case 2: //KEY1 按下 if(p!=NULL) { sprintf((char)p,"Memory Malloc Test%03d",i);//更新显示内容 LCD_ShowString(60,250,200,16,16,p); //显示 P 的内容 } break; case 3: //WK_UP 按下 myfree(p); //释放内存 p=0; //指向空地址 break; } if(tp!=p) { tp=p; sprintf((char)paddr,"P Addr:0X%08X",(u32)tp); LCD_ShowString(60,230,200,16,16,paddr); //显示 p 的地址 if(p)LCD_ShowString(60,250,200,16,16,p);//显示 P 的内容 else LCD_Fill(60,250,239,266,WHITE); //p=0,清除显示 } delay_ms(10); i++; if((i%20)==0)//DS0 闪烁. { LCD_ShowNum(60+80,190,mem_perused(),3,16);//显示内存使用率 LED0=!LED0; } } } 该部分代码比较简单，主要是对 mymalloc 和 myfree 的应用。不过这里提醒大家，如果对一个指针进行多次内存申请，而之前的申请又没释放，那么将造成“内存泄露”，这是内存管理所不希望发生的，久而久之，可能导致无内存可用的情况！所以，在使用的时候，请大家一定记得，申请的内存在用完以后，一定要释放。另外，本章希望利用 USMART 调试内存管理，所以在 USMART 里面添加了 mymalloc 和myfree 两个函数，用于测试内存分配和内存释放。大家可以通过 USMART 自行测试。 32.4 下载验证在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 ALIENTEK MiniSTM32 开发板上，得到如图 32.4.1 所示界面：图 32.4.1 程序运行效果图可以看到，内外内存的使用率均为 0%，说明还没有任何内存被使用，此时我们按下 KEY0，就可以看到内部内存被使用 4%了，同时看到下面提示了指针 p 所指向的地址（其实就是被分配到的内存地址）和内容。多按几次 KEY0，可以看到内存使用率持续上升（注意对比 p 的值，可以发现是递减的，说明是从顶部开始分配内存！），此时如果按下 WK_UP，可以发现内存使用率降低了 4%，但是再按 WK_UP 将不再降低，说明“内存泄露”了。这就是前面提到的对一个指针多次申请内存，而之前申请的内存又没释放，导致的“内存泄露”，在实际使用的时候，必须避免内存泄露。 KEY1 键用于更新 p 的内容，更新后的内容将重新显示在 LCD 模块上面。本章，我们还可以借助 USMART，测试内存的分配和释放，有兴趣的朋友可以动手试试。如图 32.4.2 所示：图 32.4.2 USMART 测试内存管理函数图中，我们先申请了 4660 字节的内存，然后得到申请到的内存首地址为：0X200097FC，说明我们申请内存成功（如果不成功，则会收到 0），然后释放内存的时候，参数是指针的地址，即执行：myfree(0X200097FC)，就可以释放我们申请到的内存。其他情况，大家可以自行测试并分析。 0
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