讲解使用memheap内存管理算法对内部RAM和片外的SDRAM进行管理的方法

4 SDRAM 的读写测试
  配置完 SDRAM 和内存管理算法后，我们需要将片外的 SDRAM 加入到 memheap_item 链表中进行管理，添加的方法如下：
struct rt_memheap sdram_heap;                  // memheap 控制块
#define SDRAM_BANK_ADDR ((uint32_t)0XC0000000) // SDRAM 的起始地址
#define SDRAM_SIZE      ((uint32_t)0x2000000)  // SDRAM 的大小
/* SDRAM 内存堆的初始化 */
rt_memheap_init(&sdram_heap, "sdram", (void *)SDRAM_BANK_ADDR, SDRAM_SIZE);
  将 SDRAM 内存堆进行初始化后，编译下载置开发板可以后，使用 list_memheap 可以看到新增加的 sdram 内存堆，如下所示。我们可以看到片外的 SDRAM 初始化之后我们并没有使用，但是在 max used size 字段中确显示已经使用了 48 字节的空间，这部分空间是内存堆的数据头，用于 magic、used 信息及链表节点使用。
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msh >list_memheap
memheap   pool size  max used size available size
-------- ---------- ------------- --------------
sdram    33554432   48            33554384   /* 新增加的 SDRAM */
heap     190584     7356          183228     /* 片内的 RAM */
  为了测试我们初始化的 SDRAM 是否可以正常使用，通常我们会首先写一个 SDRAM 的读写测试函数，对 SDRAM 的每个字节进行读写测试，根据写入和读出的结果是否一致来判断 SDRAM 是否配置正确，读写测试代码如下。正点原子 F429 阿波罗开发板的 SDRAM 使用的是 16 根地址线，因此读写测试时数据位的宽度定义为 16。
#define SDRAM_DATA_WIDTH 16  // 数据位的宽度
#define SDRAM_BANK_ADDR  ((uint32_t)0XC0000000)  // SDRAM 的起始地址
int sdram_test(void)
{
    int i = 0;
    uint32_t start_time = 0, time_cast = 0;
#if SDRAM_DATA_WIDTH == 8
    char data_width = 1;
    uint8_t data = 0;
#elif SDRAM_DATA_WIDTH == 16
    char data_width = 2;
    uint16_t data = 0;
#else
    char data_width = 4;
    uint32_t data = 0;
#endif
    /* write data */
    LOG_D("Writing the %ld bytes data, waiting....", SDRAM_SIZE);
    start_time = rt_tick_get();
    for (i = 0; i < SDRAM_SIZE / data_width; i++)
    {
#if SDRAM_DATA_WIDTH == 8
        *(__IO uint8_t *)(SDRAM_BANK_ADDR + i * data_width) = (uint8_t)0x55;
#elif SDRAM_DATA_WIDTH == 16
        *(__IO uint16_t *)(SDRAM_BANK_ADDR + i * data_width) = (uint16_t)(i % 65535);
#else
        *(__IO uint32_t *)(SDRAM_BANK_ADDR + i * data_width) = (uint32_t)0x55555555;
#endif
    }
    time_cast = rt_tick_get() - start_time;
    LOG_D("Write data success, total time: %d.%03dS.", time_cast / RT_TICK_PER_SECOND,
          time_cast % RT_TICK_PER_SECOND / ((RT_TICK_PER_SECOND * 1 + 999) / 1000));
    /* read data */
    LOG_D("start Reading and verifying data, waiting....");
    for (i = 0; i < SDRAM_SIZE / data_width; i++)
    {
#if SDRAM_DATA_WIDTH == 8
        data = *(__IO uint8_t *)(SDRAM_BANK_ADDR + i * data_width);
        if (data != 0x55)
        {
            LOG_E("SDRAM test failed!");
            break;
        }
#elif SDRAM_DATA_WIDTH == 16
        data = *(__IO uint16_t *)(SDRAM_BANK_ADDR + i * data_width);
        if (data != (i % 65535))
        {
            LOG_E("SDRAM test failed!");
            break;
        }
#else
        data = *(__IO uint32_t *)(SDRAM_BANK_ADDR + i * data_width);
        if (data != 0x55555555)
        {
            LOG_E("SDRAM test failed!");
            break;
        }
#endif
    }
    if (i >= SDRAM_SIZE / data_width)
    {
        LOG_D("SDRAM test success!");
    }
    return RT_EOK;
}
MSH_CMD_EXPORT(sdram_test, sdram test)
  执行读写测试函数后，如果测试成功，日志信息如下。需要注意的是，读写测试函数是对片外 SDRAM 的整片的测试，执行完读写测试代码后，如果申请片外 SDRAM 的空间会直接导致硬件错误，因为我们对 SDRAM 整片的读写测试破坏了 SDRAM 中保存的数据头的信息，所以申请会出错。测试 SDRAM 的读写没有问题后我们应该重启开发板进行内存的申请测试。
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msh >list_memheap
memheap   pool size  max used size available size
-------- ---------- ------------- --------------
sdram    33554432   48            33554384
heap     190584     7356          183228
msh >sdram_test
[D/drv.sdram] Writing the 33554432 bytes data, waiting....
[D/drv.sdram] Write data success, total time: 4.393S.
[D/drv.sdram] start Reading and verifying data, waiting....
[D/drv.sdram] SDRAM test success!
5 内存堆申请测试
5.1 内部 RAM 和 片外 SDRAM 顺序申请测试
  同样的，我们编写一个函数对添加 SDRAM 后 menheap 管理的内存堆进行测试，测试代码如下
void malloc_test(void)
{
    int size = 50 * 1024;  // 50KBytes
    rt_uint8_t * ptr = RT_NULL;
    ptr = rt_malloc(size);
    if(ptr != RT_NULL)
    {
        LOG_D("ptr = %p", ptr); // 打印申请到的空间的首地址
    }
    else
    {
        LOG_E("malloc failed");
    }
}
MSH_CMD_EXPORT(malloc_test, malloc test)
  下载程序到开发板后，根据测试结果我们可以看到使用 rt_malloc 函数进行申请是首先申请的是片内的 RAM 的空间，等到片内 RAM 的剩余空间不够时系统会去另一块内存堆(SDRAM)上申请空间。
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msh >list_memheap    /* 初始时，打印内存堆空间的信息 */
memheap   pool size  max used size available size
-------- ---------- ------------- --------------
sdram    33554432   48            33554384
heap     190584     7356          183228
msh >sdram_malloc_test
[D/drv.sdram] ptr = 2000342c /* 申请到的是片内 RAM 的空间 */
msh >list_memheap    /* 第 1 次申请后，打印内存堆空间的信息 */
memheap   pool size  max used size available size
-------- ---------- ------------- --------------
sdram    33554432   48            33554384
heap     190584     58580         132004
msh >sdram_malloc_test
[D/drv.sdram] ptr = 2000fc44 /* 申请到的是片内 RAM 的空间 */
msh >list_memheap    /* 第 2 次申请后，打印内存堆空间的信息 */
memheap   pool size  max used size available size
-------- ---------- ------------- --------------
sdram    33554432   48            33554384
heap     190584     109804        80780
msh >sdram_malloc_test
[D/drv.sdram] ptr = 2001c45c /* 申请到的是片内 RAM 的空间 */
msh >list_memheap    /* 第 3 次申请后，打印内存堆空间的信息 */
memheap   pool size  max used size available size
-------- ---------- ------------- --------------
sdram    33554432   48            33554384
heap     190584     161028        29556
msh >sdram_malloc_test
[D/drv.sdram] ptr = c0000018 /* 片内 RAM 剩余空间不够，申请到的是片外 SDRAM 的空间 */
msh >list_memheap    /* 第 4 次申请后，打印内存堆空间的信息 */
memheap   pool size  max used size available size
-------- ---------- ------------- --------------
sdram    33554432   51272         33503160
heap     190584     161028        29556
msh >sdram_malloc_test
[D/drv.sdram] ptr = c000c830 /* 片内 RAM 剩余空间不够，申请到的是片外 SDRAM 的空间 */
5.2 直接申请片外 SDRAM 内存测试
  如果想直接从片外的 SDRAM 内存空间进行申请时，我们可以使用 rt_memheap_alloc 进行操作，同样我们也编写一个直接从片外 SDRAM 申请空间的测试函数，如下所示。其中 sdram_heap 控制块需要和上文对 SDRAM 初始化 rt_memheap_init(&sdram_heap, ...) 时的控制块的变量保持一致。
void sdram_malloc_test(void)
{
    int size = 50 * 1024;  // 50KBytes
    uint8_t *ptr;
    ptr = rt_memheap_alloc(&sdram_heap, size);
    if(ptr != RT_NULL)
    {
        LOG_D("ptr = %p", ptr); // 打印申请到的空间的首地址
    }
    else
    {
        LOG_E("sdram malloc failed");
    }
}
MSH_CMD_EXPORT(sdram_malloc_test, sdram malloc test)
  直接从片外 SDRAM 申请空间的测试结果如下，从结果中可以看出每次申请的都是片外 SDRAM 中的空间，且此时片内 RAM 的剩余空间大于要申请的空间的大小。
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msh >list_memheap    /* 初始时，打印内存堆空间的信息 */
memheap   pool size  max used size available size
-------- ---------- ------------- --------------
sdram    33554432   48            33554384
heap     190584     7356          183228
msh >sdram_malloc_test
[D/drv.sdram] ptr = c0000018  /* 申请到的是片外 SDRAM 的空间 */
msh >list_memheap    /* 第 1 次申请后，打印内存堆空间的信息 */
memheap   pool size  max used size available size
-------- ---------- ------------- --------------
sdram    33554432   51272         33503160
heap     190584     7356          183228
msh >sdram_malloc_test
[D/drv.sdram] ptr = c000c830  /* 申请到的是片外 SDRAM 的空间 */
msh >list_memheap    /* 第 2 次申请后，打印内存堆空间的信息 */
memheap   pool size  max used size available size
-------- ---------- ------------- --------------
sdram    33554432   102496        33451936
heap     190584     7356          183228
msh >sdram_malloc_test
[D/drv.sdram] ptr = c0019048  /* 申请到的是片外 SDRAM 的空间 */
msh >list_memheap    /* 第 3 次申请后，打印内存堆空间的信息 */
memheap   pool size  max used size available size
-------- ---------- ------------- --------------
sdram    33554432   153720        33400712
heap     190584     7356          183228
6 补充
6.1 为什么 rt_malloc 优先申请片内 RAM 的内存
  rt_malloc() 的源码(rt-thread/src/memheap.c)如下所示。
void *rt_malloc(rt_size_t size)
{
    void *ptr;
    /* try to allocate in system heap */
    ptr = rt_memheap_alloc(&_heap, size);   // 先从 _heap 控制块中申请内存
    if (ptr == RT_NULL)                     // _heap 控制块申请失败，查找其他的 memheap 控制块
    {
        struct rt_object *object;
        struct rt_list_node *node;
        struct rt_memheap *heap;
        struct rt_object_information *information;
        /* try to allocate on other memory heap 尝试从其他的内存堆中进行申请 */
        information = rt_object_get_information(RT_Object_Class_MemHeap);  // 获取类型为内存堆的对象信息
        RT_ASSERT(information != RT_NULL);
        for (node  = information->object_list.next;
             node != &(information->object_list);
             node  = node->next)  // 遍历 memheap_item 链表
        {
            object = rt_list_entry(node, struct rt_object, list); // 获取结构体的首地址 container_of
            heap   = (struct rt_memheap *)object;
            RT_ASSERT(heap);
            RT_ASSERT(rt_object_get_type(&heap->parent) == RT_Object_Class_MemHeap);
            /* not allocate in the default system heap */
            if (heap == &_heap) // 如果找到的控制块和 _heap 相同则继续查找其他控制块
                continue;
            ptr = rt_memheap_alloc(heap, size); // 找到了其他的内存堆，就从该内存堆上申请空间
            if (ptr != RT_NULL)
                break;
        }
    }
    ... ... // 省去分析无关代码
    return ptr;
}
  分析上述源码我们可以看到首先调用了 rt_memheap_alloc(&_heap, size) 从 _heap 控制块中申请内存，如果从 _heap 控制块中申请失败的话，就从 memheap_list 链表中查找其他的内存堆，如果有其他的内存堆就从找到的内存堆中申请空间，如果没有其他的内存堆则返回 RT_NULL。
  那么 _heap 是在哪里定义和初始化的呢，继续分析源码我们可以发现，在文件 rt-thread/src/memheap.c 中对 _heap 进行了定义和初始化，代码如下。
static struct rt_memheap _heap;
void rt_system_heap_init(void *begin_addr, void *end_addr)
{
    RT_ASSERT((rt_uint32_t)end_addr > (rt_uint32_t)begin_addr);
    /* initialize a default heap in the system */
    rt_memheap_init(&_heap,
                    "heap",
                    begin_addr,
                    (rt_uint32_t)end_addr - (rt_uint32_t)begin_addr);
}
  在 RT-Thread 自动初始化的代码中对片内的内存堆进行了初始化，代码如下
void rt_hw_board_init()
{
    rt_system_heap_init((void *)HEAP_BEGIN, (void *)HEAP_END);  // 初始化内部 RAM 的内存堆
    // #define HEAP_BEGIN       (&__bss_end)
    // #define HEAP_END         STM32_SRAM_END
    // #define STM32_SRAM_END   (0x20000000 + STM32_SRAM_SIZE * 1024)
    // #define STM32_SRAM_SIZE  (192)
}

原作者：crystal266