1、概述

操作系統(tǒng)的內存管理功能用于向操作系統(tǒng)提供一致的地址映射功能和內存頁面的申請、釋放操作。在嵌入式實時系統(tǒng)中，內存管理根據(jù)不同的系統(tǒng)，有不同的策略，對于有些系統(tǒng)支持的虛擬內存管理機制，對于另外一些系統(tǒng)，可能只有flat式的簡單內存管理機制。

2、內存管理機制：

大體上來說，嵌入式系統(tǒng)所用到的內存管理機制主要有以下兩種：

(1)??虛擬內存管理機制：

有一些嵌入式處理器提供了MMU，在MMU具備內存地址映射和尋址功能，它使操作系統(tǒng)的內存管理更加方便。如果存在MMU ，操作系統(tǒng)會使用它完成從虛擬地址到物理地址的轉換， 所有的應用程序只需要使用虛擬地址尋址數(shù)據(jù)。 這種使用虛擬地址尋址整個系統(tǒng)的主存和輔存的方式在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中被稱為虛擬內存。MMU 便是實現(xiàn)虛擬內存的必要條件。

虛擬內存的管理方法使系統(tǒng)既可以運行體積比物理內存還要大的應用程序，也可以實現(xiàn)“按需調頁”策略，既滿足了程序的運行速度，又節(jié)約了物理內存空間。

在L inux系統(tǒng)中，虛擬內存機制的實現(xiàn)實現(xiàn)為我們提供了一個典型的例子：在不同的體系結構下， 使用了三級或者兩級頁式管理，利用MMU 完成從虛擬地址到物理地址之間的轉換?；谔摂M內存管理的內存最大好處是：由于不同進程有自己單獨的進程空間，十分有效的提高了系統(tǒng)可靠性和安全性。

(2)??非虛擬內存管理機制

在實時性要求比較高的情況下，很多嵌入式系統(tǒng)并不需要虛擬內存機制：因為虛擬內存機制會導致不確定性的 I/O阻塞時間， 使得程序運行時間不可預期，這是實時嵌入式系統(tǒng)的致命缺陷；另外，從嵌入式處理器的成本考慮，大多采用不裝配MMU 的嵌入式微處理器。所以大多嵌入式系統(tǒng)采用的是實存儲器管理策略。因而對于內存的訪問是直接的，它對地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址；而且，大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對內存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間。一個進程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為它分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲器的連續(xù)空間。

由此可見，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員不得不參與系統(tǒng)的內存管理。從編譯內核開始，開發(fā)人員必須告訴系統(tǒng)這塊開發(fā)板到底擁有多少內存；在開發(fā)應用程序時，必須考慮內存的分配情況并關注應用程序需要運行空間的大小。另外，由于采用實存儲器管理策略，用戶程序同內核以及其它用戶程序在一個地址空間，程序開發(fā)時要保證不侵犯其它程序的地址空間，以使得程序不至于破壞系統(tǒng)的正常工作，或導致其它程序的運行異常；因而，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員對軟件中的一些內存操作要格外小心。

UCOS就是使用非虛擬內存管理的一個例子，在UCOS中，所有的任務共享所有的物理內存，任務之間沒有內存保護機制，這樣能夠提高系統(tǒng)的相應時間，但是任務內存操作不當，會引起系統(tǒng)崩潰。

3、內存在系統(tǒng)中的生命期：

對于內存在整個嵌入式運行過程中，以3中方式存在：

1)、 在bootstraping 階段，內存以臨時內存分配的形式出現(xiàn)，當完成系統(tǒng)啟動后，這些內存會回收供以后系統(tǒng)使用。

2)、 在正常運行階段，內存以兩種方式存在：

( 1) 系統(tǒng)為代碼，數(shù)據(jù)分配的永久內存，這些內存在系統(tǒng)運行過程中是不會改變的，有的硬件的I/O等外設也把相應的地址映射到固定的內存空間。

( 2) 動態(tài)內存分配空間：這些內存不會固定分配，而是根據(jù)系統(tǒng)需要而動態(tài)分配的，如果利用非虛擬內存管理機制，一般需要改造動態(tài)內存分配機制以提高性能。

4、內存管理的具體應用：

A、Linux系統(tǒng)的內存管理機制

Linux內存管理機制中，X86體系結構是利用虛擬內存管理的典型，在i386CPU上，首先要進行段式映射，Linux 沒有用到段式管理，它的做法是把GDT中段描述符段的大小定義為4GB， 也就是說只分了一段， 從而使段式映射沒有起作用。在頁式映射中，對于嵌入式i386芯片來說，實際上是兩層映射， 跳過中間的PMD層次。對于程序來說，并非所有虛存都映射都到物理空間了，而是動態(tài)映射，如果程序運行時內核發(fā)現(xiàn)虛擬頁面沒有映射或映射的是磁盤頁面， 會作相應的缺頁處理——分配內存頁面并建立映射，然后恢復程序運行。

在程序運行的過程中，涉及到的內存操作主要有內存分配、內存使用、內存回收、內存頁面換出、頁面換入。內存分配會在管理區(qū)的空閑區(qū)進行， 通過Buddy算法在管理區(qū)的free_area 中獲得需要的內存塊。如果內存不足， 則會啟動Kswapd這個守護進程騰出部分物理內存。除了被調用， Kswapd 進程還會定時啟動。Kswapd 的工作分兩部分：

( 1) 檢測物理內存剩余的情況， 如果短缺， 則按LRU策略斷開active_list 隊列中部分可交換頁面的映射， 使頁面變?yōu)椴换钴S狀態(tài)，鏈入inactive_clean_list隊列或者inactive_dirty_list隊列, 為換出做準備。

( 2) 每次都執(zhí)行， 把inactive_ dirty_list 中的頁面寫入交換設備，并且回收一部分inactive_clean_list 中的頁面。

Linux系統(tǒng)虛擬內存機制的屏蔽

由于虛擬內存在時間上的不可預期性，對于實時性要求很高的系統(tǒng)，必須屏蔽虛擬內存機制。在uCLinux中就利用了這種技術一保證系統(tǒng)的實時性，下面是屏蔽虛擬內存機制的思路：

為了滿足在工業(yè)控制中一些任務的實時性要求，必須屏蔽內核的虛擬內存管理機制以增強Linux的實時性。當要更改內核的某項機制時，一般不必大規(guī)模的改寫代碼，可采用條件編譯的方法。思路是用#ifdef或 #ifndef屏蔽現(xiàn)有語句，在#else宏編譯語句中包括自己編寫的代碼。實現(xiàn)虛擬內存的機制有：地址映射機制、內存分配和回收機制，緩存和刷新機制、請頁機制、交換機制、內存共享機制，將實現(xiàn)這些機制的數(shù)據(jù)結構和函數(shù)屏蔽或修改，還要修改與之相關的文件。需要改動的文件主要在 /include/linux、/mm、/drivers/char、/fs、/ipc/kernel、/init目錄下。主要的改動如下：與虛存有關的主要的數(shù)據(jù)結構是vm_area_struct，將進程的mm_struct結構中的vm_area_struct去掉，vm_area_struct利用了vm_ops來抽象出對虛擬內存的處理方法，屏蔽與虛擬內存操作有關的函數(shù)。內存映射主要由do_mmap()實現(xiàn)，改寫此函數(shù)的代碼。取消交換操作，屏蔽用于交換的結構和函數(shù)聲明，以及實現(xiàn)交換的代碼。取消內核守護進程kswapd。

B、UCOS的內存管理：

UCOS的內存管理與大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)一樣，是flat內存，但在此flat內存的基礎上進行了優(yōu)化，使在動態(tài)內存分配的時候，減少了內存粹片，提高了系統(tǒng)性能。

UCOS的具體方法是：把連續(xù)的大塊內存進行分區(qū)，每個分區(qū)包含整數(shù)個大小相同的內存塊，在一個系統(tǒng)中有多個不同內存大小的分區(qū)。這樣，應用程序根據(jù)不同的需求，從不同大小的內存分區(qū)中分配相應大小的內存。對于不用的內存，又重新釋放回原來的分區(qū)。通過這樣的內存管理算法，解決了內存粹片的問題，提高了系統(tǒng)性能。UCOS具體的實現(xiàn)可以參看源碼。主要由以下幾個函數(shù)實現(xiàn)：

OSMemCreate()：創(chuàng)建內存分區(qū)。

OSMenGet() ：為應用程序分配一段內存。

OSMenPut()：回收應用程序不再使用的內存。

5、結論：

內存管理是嵌入式系統(tǒng)的一個重要方面，虛擬內存管理機制在為進程安全提供很好保證的同時，也為開發(fā)人員提供了一個管理內存的方法，使開發(fā)人員更多的關注其他的方面。但是它也帶來了時間不確定性的缺陷。根據(jù)不同的系統(tǒng)需求，我們可以選取相應的內存管理策略。在現(xiàn)在大多數(shù)的實時系統(tǒng)中，非虛擬內存管理機制用得比較多，這樣保證了系統(tǒng)的實時性，但是增加了開發(fā)的難度，任務內存操作不當，可能引起系統(tǒng)崩潰。

由于虛擬內存管理的請求換頁機制在很大程度上影響了系統(tǒng)的實時性能，現(xiàn)在有些開發(fā)人員提出了一個折衷方案，即不用虛擬內存管理的請求換頁機制，只考慮進程保護、內存映射、共享虛擬內存等功能，這樣既能提高系統(tǒng)的實時性，又能提高系統(tǒng)的安全性，具體請參考文獻4。

參考文獻：

1、基于Linux的嵌入式系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的設計

2、The Linux kernel Primer.

3、嵌入式L inux 操作系統(tǒng)的研究.? 劉文峰, 李程遠, 李善平

4、嵌入式軟件虛擬內存管理技術的研究和實現(xiàn). 錢 靜, 蘆東昕, 謝 鑫, 徐立鋒

5、Understanding the Linux kernel.