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1)实验平台:alientek 阿波罗 STM32F767 开发板
2)摘自《STM32F7 开发指南(HAL 库版)》关注官方微信号公众号,获取更多资料:正点原子 第四十四章 内存管理实验 在第十九章,我们学会了使用 STM32F767 驱动外部 SDRAM,以扩展 STM32F767 的内存, 加上 STM32F767 本身自带的 512K 字节内存,我们可供使用的内存还是比较多的。如果我们所 用的内存都是直接定义一个数组来使用,灵活性会比较差,很多时候不能满足实际使用需求。 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: 44.1 内存管理简介 44.2 硬件设计 44.3 软件设计 44.4 下载验证 44.1 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 44.1.1 所示: 图 44.1.1 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。 44.2 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。KEY_UP 用于切换操作内存区(内部 SRAM 内存/外部 SDRAM 内存/内部 DTCM 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) LCD 模块 5) SDRAM 这些我们都已经介绍过,接下来我们开始软件设计。 44.3 软件设计 打开本章实验工程可以看到,我们新增了 MALLOC 分组,同时在分组中新建了文件 malloc.c 以及头文件 malloc.h。 内存管理相关的函数和定义主要是在这两个文件中。 打开 malloc.c 文件,代码如下: //内存池(32 字节对齐) __align(32) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; //内部 SRAM 内存池 __align(32) u8 mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((at(0XC01F4000))); //外部 SDRAM 内存池,前面 2M 给 LTDC 用了(1280*800*2) __align(32) u8 mem3base[MEM3_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X20000000))); //内部 DTCM 内存池 //内存管理表 u32 mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE]; //内部 SRAM 内存池 MAP u32 mem2mapbase[MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(0XC01F4000+MEM2_MAX_SIZE))); //外部 SRAM 内存池 MAP u32 mem3mapbase[MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(0X20000000+MEM3_MAX_SIZE))); //内部 DTCM 内存池 MAP //内存管理参数 const u32 memtblsize[SRAMBANK]={MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE, MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE,MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE}; //内存表大小 const u32 memblksize[SRAMBANK]={MEM1_BLOCK_SIZE, MEM2_BLOCK_SIZE,MEM3_BLOCK_SIZE}; //内存分块大小 const u32 memsize[SRAMBANK]={MEM1_MAX_SIZE, MEM2_MAX_SIZE,MEM3_MAX_SIZE}; //内存总大小 //内存管理控制器 struct _m_mallco_dev mallco_dev= { my_mem_init, //内存初始化 my_mem_perused, //内存使用率 mem1base,mem2base,mem3base, //内存池 mem1mapbase,mem2mapbase,mem3mapbase,//内存管理状态表 0,0,0, //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 my_mem_init(u8 memx) { mymemset(mallco_dev.memmap[memx],0,memtblsize[memx]*4);//内存状态表数据清零 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(扩大了 10 倍,0~1000,代表 0.0%~100.0%) u16 my_mem_perused(u8 memx) { u32 used=0; u32 i; for(i=0;i { if(mallco_dev.memmap[memx])used++; } return (used*1000)/(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 my_mem_malloc(u8 memx,u32 size) { signed long offset=0; u32 nmemb; //需要的内存块数 u32 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 //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 my_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 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 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]; my_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=my_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=my_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),实现对三 个内存池的管理控制。为甚 首先,是内部 SRAM 内存池,定义为: __align(64) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; 然后,是外部 SDRAM 内存池,定义为: __align(64) u8 mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((at(0XC01F4000))); 最后,是内部 DTCM 内存池,定义为: __align(64) u8 mem3base[MEM3_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X20000000))); 这里之所以要定义成 3 个,是因为这三个内存区域的地址都不一样,STM32F767 内部内存 分为两大块:1,普通内存(地址从:0X2002 0000 开始,共 384KB),这部分内存任何外设都 可以访问。2,DTCM 内存(地址从:0X2000 0000 开始,共 128KB),这部分内存可以被 CPU 和 DMA 等外设访问!! 而外部 SDRAM,地址是从 0XC000 0000 开始的,共 32768KB(32MB),但是,前面 2MB 用做 RGB LCD 屏的显存,不用于内存管理,所以,用于内存管理的外部 SDRAM 内存池首地 址为:0XC01F4000(0XC000 0000+1280*800*2)。 这样总共有 3 部分内存,而内存池必须是连续的内存空间,才可以,这样 3 个内存区域, 就有 3 个内存池,因此,分成了 3 块来管理。 其中,MEM1_MAX_SIZE、MEM2_MAX_SIZE 和 MEM3_MAX_SIZE 为在 malloc.h 里面 定义的内存池大小,外部 SRAM 内存池指定地址为 0XC01F 4000,紧跟 RGB LCD 屏的显存之 后,DTCM 内存池从 0X2000 0000 开始,是从 DTCM 内存的首地址开始的,而内部 SRAM 内 存池的首地址则由编译器自动分配。__align(64)定义内存池为 64 字节对齐,以适应各种不同场 合的需求。 此部分代码的核心函数为:my_mem_malloc 和 my_mem_free,分别用于内存申请和内存释 放。思路就是我们在 43.1 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。然后打开 malloc.h,关键代码如下: #ifndef NULL #define NULL 0 #endif //定义三个内存池 #define SRAMIN 0 //内部内存池 #define SRAMEX 1 //外部内存池(SDRAM) #define SRAMCCM 2 //CCM 内存池(此部分 SRAM 仅仅 CPU 可以访问!!!) #define SRAMBANK 3 //定义支持的 SRAM 块数. //mem1 内存参数设定.mem1 完全处于内部 SRAM 里面. #define MEM1_BLOCK_SIZE 64 //内存块大小为 64 字节 #define MEM1_MAX_SIZE 160*1024 //最大管理内存 160K #define MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE //内存表大小 //mem2 内存参数设定.mem2 的内存池处于外部 SDRAM 里面 #define MEM2_BLOCK_SIZE 64 //内存块大小为 64 字节 #define MEM2_MAX_SIZE 28912 *1024 //最大管理内存 28912K #define MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE MEM2_MAX_SIZE/MEM2_BLOCK_SIZE //内存表大小 //mem3 内存参数设定.mem3 处于 CCM,用于管理 CCM #define MEM3_BLOCK_SIZE 64 //内存块大小为 64 字节 #define MEM3_MAX_SIZE 60 *1024 //最大管理内存 60K #define MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE MEM3_MAX_SIZE/MEM3_BLOCK_SIZE //内存表大小 //内存管理控制器 struct _m_mallco_dev { void (*init)(u8); //初始化 u16 (*perused)(u8); //内存使用率 u8 *membase[SRAMBANK]; //内存池 管理 SRAMBANK 个区域的内存 u32 *memmap[SRAMBANK]; //内存管理状态表 u8 memrdy[SRAMBANK]; //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 my_mem_init(u8 memx); //内存管理初始化函数(外/内部调用) u32 my_mem_malloc(u8 memx,u32 size); //内存分配(内部调用) u8 my_mem_free(u8 memx,u32 offset); //内存释放(内部调用) u16 my_mem_perused(u8 memx) ; //获得内存使用率(外/内部调用) //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //用户调用函数 void myfree(u8 memx,void *ptr); //内存释放(外部调用) void *mymalloc(u8 memx,u32 size); //内存分配(外部调用) void *my #endif这部分代码,定义了很多关键数据,比如内存块大小的定义:MEM1_BLOCK_SIZE、 MEM2_BLOCK_SIZE 和 MEM3_BLOCK_SIZE,都是 64 字节。内存池总大小,内部 SRAM 内 存池大小为 160K,外部 SDRAM 内存池大小为 28912K,内部 DTCM 内存池大小为 120K。 MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE、MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE 和 MEM3_ALLOC_TABLE_ SIZE,则分别代表内存池 1、2 和 3 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 4 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 u32 类型)。显然是不合适的,我们 这里取 64 字节,比例为 1:16,内存管理表相对就比较小了。 最后来我们看看主函数代码: int main(void) { u8 paddr[20]; //存放 P Addr:+p 地址的 ASCII 值 u16 memused=0; u8 key,i=0,*p=0,*tp=0; u8 sramx=0; //默认为内部 sram Cache_Enable(); //打开 L1-Cache HAL_Init(); //初始化 HAL 库 Stm32_Clock_Init(432,25,2,9); //设置时钟,216Mhz delay_init(216); //延时初始化 uart_init(115200); //串口初始化 LED_Init(); //初始化 LED KEY_Init(); //初始化按键 SDRAM_Init(); //初始化 SDRAM LCD_Init(); //初始化 LCD usmart_dev.init(108); //初始化 USMART my_mem_init(SRAMIN); //初始化内部内存池 my_mem_init(SRAMEX); //初始化外部内存池 my_mem_init(SRAMDTCM); //初始化 DTCM 内存池 ……//此处省略部分代码 while(1) { key=KEY_Scan(0);//不支持连按 switch(key) { case 0://没有按键按下 break; case KEY0_PRES: //KEY0 按下 p=mymalloc(sramx,2048);//申请 2K 字节 if(p!=NULL)sprintf((char*)p,"Memory Malloc Test%03d",i);//向p写入一些内容 break; case KEY1_PRES: //KEY1 按下 if(p!=NULL) { sprintf((char*)p,"Memory Malloc Test%03d",i);//更新显示内容 LCD_ShowString(30,270,200,16,16,p); //显示 P 的内容 } break; case KEY2_PRES: //KEY2 按下 myfree(sramx,p);//释放内存 p=0; //指向空地址 break; case WKUP_PRES: //KEY UP 按下 sramx++; if(sramx>2)sramx=0; if(sramx==0)LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SRAMIN "); else if(sramx==1)LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SRAMEX "); else LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SRAMDTCM"); break; } if(tp!=p&&p!=NULL) { tp=p; sprintf((char*)paddr,"P Addr:0X%08X",(u32)tp); LCD_ShowString(30,250,200,16,16,paddr); //显示 p 的地址 if(p)LCD_ShowString(30,270,200,16,16,p);//显示 P 的内容 else LCD_Fill(30,270,239,266,WHITE); //p=0,清除显示 } delay_ms(10); i++; if((i%20)==0)//DS0 闪烁. { memused=my_mem_perused(SRAMIN); sprintf((char*)paddr,"%d.%01d%%",memused/10,memused%10); LCD_ShowString(30+112,190,200,16,16,paddr); //显示内部内存使用率 memused=my_mem_perused(SRAMEX); sprintf((char*)paddr,"%d.%01d%%",memused/10,memused%10); LCD_ShowString(30+112,210,200,16,16,paddr); //显示外部内存使用率 memused=my_mem_perused(SRAMDTCM); sprintf((char*)paddr,"%d.%01d%%",memused/10,memused%10); LCD_ShowString(30+112,230,200,16,16,paddr); //显示 CCM 内存使用率 LED0_Toggle; } } }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。 44.4 下载验证 在代码编译成功之后,我们通过下载代码到 ALIENTEK 阿波罗 STM32 开发板上,得到如 图 44.4.1 所示界面: 图 44.4.1 程序运行效果图 可以看到,所有内存的使用率均为 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 SRAM 内存被使用 1.2%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 KEY2,可以发 现内存使用率降低了 1.2%,但是再按 KEY2 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”。 按 KEY_UP 按键,可以切换当前操作内存(内部 SRAM 内存/外部 SDRAM 内存/内部 CCM 内存),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。注意:当使 外部SDRAM内存的时候,我们需要按很多次KEY0(15次),才可以看到内存使用率上升0.1%, 因为按一次只是申请 2K 字节,15 次才申请 30KB,内存总大小为 28912KB,所以,内存使用 率为:30/28912=0.001(0.1%)。 |
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