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第四十三章 内存管理实验 上一节，我们学会了使用STM32驱动外部SRAM，以扩展STM32的内存，加上STM32本身自带的64K字节内存，我们可供使用的内存还是比较多的。如果我们所用的内存都像上一节的testsram那样，定义一个数组来使用，显然不是一个好办法。 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： 43.1 内存管理简介 43.2 硬件设计 43.3 软件设计 43.4 下载验证
43.1 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2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43.1.1所示：
图43.1.1 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à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。
43.2 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用于申请内存，每次申请2K字节内存。KEY1用于写数据到申请到的内存里面。KEY2用于释放内存。WK_UP用于切换操作内存区（内部内存/外部内存）。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 5） IS62WV51216 这些我们都已经介绍过，接下来我们开始软件设计。 43.3 软件设计 本章，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MDK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) __align(4) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; //内部SRAM内存池 __align(4) u8 mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X68000000))); //外部SRAM内存池 //内存管理表 u16 mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE]; //内部SRAM内存池MAP u16 mem2mapbase[MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(0X68000000+ MEM2_MAX_SIZE))); //外部SRAM内存池MAP //内存管理参数 const u32 memtblsize[2]={MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE,MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE}; //内存表大小 const u32 memblksize[2]={MEM1_BLOCK_SIZE,MEM2_BLOCK_SIZE}; //内存分块大小 const u32 memsize[2]={MEM1_MAX_SIZE,MEM2_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 mem1base,mem2base, //内存池 mem1mapbase,mem2mapbase, //内存管理状态表 0,0, //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 //memx:所属内存块 void mem_init(u8 memx) { mymemset(mallco_dev.memmap[memx], 0,memtblsize[memx]*2);//内存状态表数据清零 mymemset(mallco_dev.membase[memx], 0,memsize[memx]); //内存池所有数据清零 mallco_dev.memrdy[memx]=1; //内存管理初始化OK } //获取内存使用率 //memx:所属内存块 //返回值:使用率(0~100) u8 mem_perused(u8 memx) { u32 used=0; u32 i; for(i=0;i<memtblsize[memx];i++) if(mallco_dev.memmap[memx])used++; return (used*100)/(memtblsize[memx]); } //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(u8 memx,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[memx])mallco_dev.init(memx);//未初始化,先执行初始化 if(size==0)return 0XFFFFFFFF; //不需要分配 nmemb=size/memblksize[memx]; //获取需要分配的连续内存块数 if(size%memblksize[memx])nmemb++; for(offset=memtblsize[memx]-1;offset>=0;offset--)//搜索整个内存控制区 { if(!mallco_dev.memmap[memx][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<nmemb;i++) //标注内存块非空 { mallco_dev.memmap[memx][offset+i]=nmemb; } return (offset*memblksize[memx]);//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) //memx:所属内存块 //offset:内存地址偏移 //返回值:0,释放成功;1,释放失败; u8 mem_free(u8 memx,u32 offset) { int i; if(!mallco_dev.memrdy[memx])//未初始化,先执行初始化 { mallco_dev.init(memx); return 1;//未初始化 } if(offset<memsize[memx])//偏移在内存池内. { int index=offset/memblksize[memx]; //偏移所在内存块号码 int nmemb=mallco_dev.memmap[memx][index]; //内存块数量 for(i=0;i<nmemb;i++) //内存块清零 { mallco_dev.memmap[memx][index+i]=0; } return 0; }else return 2;//偏移超区了. } //释放内存(外部调用) //memx:所属内存块 //ptr:内存首地址 void myfree(u8 memx,void *ptr) { u32 offset; if(ptr==NULL)return;//地址为0. offset=(u32)ptr-(u32)mallco_dev.membase[memx]; mem_free(memx,offset);//释放内存 } //分配内存(外部调用) //memx:所属内存块 //size:内存大小(字节) //返回值:分配到的内存首地址. void *mymalloc(u8 memx,u32 size) { u32 offset; offset=mem_malloc(memx,size); if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL; else return (void*)((u32)mallco_dev.membase[memx]+offset); } //重新分配内存(外部调用) //memx:所属内存块 //*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(u8 memx,void *ptr,u32 size) { u32 offset; offset=mem_malloc(memx,size); if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL; else { mymemcpy((void*)((u32)mallco_dev.membase[memx]+offset),ptr,size); //拷贝旧内存内容到新内存 myfree(memx,ptr); //释放旧内存 return (void*)((u32)mallco_dev.membase[memx]+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），实现对两个内存池的管理控制。一个是外部内存池，定义为： __align(4) u8 mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X68000000))); 另一个是内部内存池，定义为： __align(4) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; 其中，MEM1_MAX_SIZE和MEM2_MAX_SIZE为在malloc.h里面定义的内存池大小，外部内存池指定地址为0X68000000，也就是从外部SRAM的首地址开始的，内部内存则由编译器自动分配。__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。
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《STM32开发指南》第四十三章 内存管理实验.rar
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