【正点原子STM32连载】 第四十八章 内存管理实验 摘自【正点原子】STM32F103 战舰开发指南V1.2
1）实验平台：正点原子stm32f103战舰开发板V4
2）平台购买地址：https://detail.tmall.com/item.htm?id=609294757420
3）全套实验源码+手册+视频下载地址： http://www.openedv.com/thread-340252-1-1.html#
第四十八章 内存管理实验
本章，我们将介绍内存管理。我们将使用内存的动态管理减少对内存的浪费。本章分为如下几个小节：
48.1 内存管理简介
48.2 硬件设计
48.3 程序设计
48.4 下载验证
48.1 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，其实最终都是要实现两个函数：malloc和free。malloc函数用来内存申请，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48.1.1所示：
图48.1.1 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。内存池被等分为了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。
内存分配方向如上图所示，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（找到最后也没有找到连续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。
48.2 硬件设计
- 例程功能
每次按下按键KEY0就申请2K字节内存，每次按下KEY1就写数据到申请到的内存里面，每次按下WK_UP按键用于释放内存。LED0闪烁用于提示程序正在运行。 - 硬件资源
1）LED灯
LED0 – PB5
2）独立按键
KEY0 – PE4
KEY1 – PE3
WK_UP – PA0
3）串口1（USMART使用）
4）正点原子 2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)
5）STM32自带的SRAM
6）开发板板载的SRAM
48.3 程序设计
48.3.1 程序流程图
图48.3.1.1 内存管理实验程序流程图
48.3.2 程序解析
1.内存管理代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。内存管理驱动源码包括两个文件：malloc.c和malloc.h。这两个文件放在Middlewares文件夹下面的MALLOC文件夹。
下面我们直接介绍malloc.h中比较重要的一个结构体和内存参数宏定义，其定义如下：
/* mem1内存参数设定.mem1是F103内部的SRAM. */
#define MEM1_BLOCK_SIZE 32 /* 内存块大小为32字节 */
#define MEM1_MAX_SIZE 40 * 1024 /* 最大管理内存40K,F103ZE内部SRAM总共64KB*/
#define MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE /* 内存表大小 */
/* mem2内存参数设定.mem2是F103外扩SRAM */
#define MEM2_BLOCK_SIZE 32 /* 内存块大小为32字节 */
#define MEM2_MAX_SIZE 963 *1024 /* 最大管理内存963K, F103外扩SRAM大小1024KB */
#define MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE MEM2_MAX_SIZE/MEM2_BLOCK_SIZE /* 内存表大小 */
/* 内存管理控制器 */
struct _m_mallco_dev
{
void (*init)(uint8_t); /* 初始化 */
uint16_t (*perused)(uint8_t); /* 内存使用率 */
uint8_t *membase[SRAMBANK]; /* 内存池 管理SRAMBANK个区域的内存 */
MT_TYPE *memmap[SRAMBANK]; /* 内存管理状态表 */
uint8_t memrdy[SRAMBANK]; /* 内存管理是否就绪 */
};
我们可以定义几个不同的内存管理表，再分配相应的指针给到管理控制器即可。程序中我们用宏定义MEM1_BLOCK_SIZE来定义malloc可以管理的内部内存池总大小，实际上我们定义为一个大小为MEM1_BLOCK_SIZE的数组，这样编译后就能获得一块实际的连续内存区域，这里是40KB，MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE代表内存池的内存管理表大小。我们可以定义多个内存管理表，这样就可以同时管理多块内存。
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uint16_t类型），显然是不合适。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。
通过这个内存管理控制器_m_malloc_dev结构体，我们把分块式内存管理的相关信息，其初始化函数、获取使用率、内存池、内存管理表以及内存管理的状态保存下来，实现对内存池的管理控制。其中，内存池的定义为：
/* 内存池(64字节对齐) */
static __align(64) uint8_t mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; /* 内部SRAM内存池 */
static __align(64) uint8_t mem2base[MEM2_MAX_SIZE]
__attribute__((at(SRAM_BASE_ADDR))); /* 外扩SRAM内存池 */
/* 内存管理表 */
static MT_TYPE mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE]; /* 内部SRAM内存池MAP */
static MT_TYPE mem2mapbase[MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(SRAM_BASE_ADDR + MEM2_MAX_SIZE))); /* 外扩SRAM内存池MAP */
这里我们定义了两个内存池：一个是内部的SRAM，另一个是外部的SRAM。
MDK支持用__attirbute__((at(地址)))的方法把变量定义到指定的区域，而且这个变量支持是算式，大家可以去MKD的帮助文件中查找__attribute__这个关键字查找相关信息，有比较详细的介绍。（SRAM实验一章我们也有过说明了）我们这里是通过这个关键字，指定mem2mapbase这个大数组的存放位置为SRAM上的空间，如果不加这个关键字修饰，MDK会默认把这些变量定义到STM32的内部空间，这样的话就超出了STM32内部的SRAM空间，编译时会直接报错。当然还有其它把变量定义到指定位置的方法，大家可以自行研究下。
其中，MEM1_MAX_SIZE是在头文件中定义的内存池大小。align(64)定义内存池为64字节对齐，这个非常重要！如果不加上这个限制，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。
上面的写法是对于AC5来说的，但是如果你想换成AC6编译器的话就比较麻烦了，指定变量位置的函数变成__attribute((section(“.bss.ARM.__at_地址”)))的方式，其中的.bss表示初始化值为0，而且这个方式不支持算式，所以还用上面的方法直接用宏计算出SRAM的地址的方法不可行了，所以我们需要直接手动算出SRAM对应的内存地址，同样地__align(64)在AC6下的写法也变成了__ALIGNED(64)，还有其它差异的部分，大家参考MDK官方提供的AC5到AC6的迁移方法的文档，这样定义的方法就变成下面的方式：
/* 内存池(64字节对齐) */
static __ALIGNED(64) uint8_t mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; /* 内部SRAM内存池 */
static __ALIGNED(64) uint8_t mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((section(".bss.ARM.__at_0X68000000"))); /* 外扩SRAM内存池 */
/* 内存管理表 */
static MT_TYPE mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE]; /* 内部SRAM内存池MAP */
static MT_TYPE mem2mapbase[MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((section(".bss.ARM.__at_0X680F0C00"))); /* 外扩SRAM内存池MAP */
整个malloc代码的核心函数：my_mem_malloc和my_mem_free，分别用于内存申请和内存释放。思路就是前面48.1所介绍的分配内存和释放内存，不过在这里，这两个函数知识内部调用，外部调用我们另外定义了mymalloc和myfree两个函数，其他函数我们就不多介绍了。下面看一下分配内存和释放内存相关函数，其定义如下：
/**
* @brief 内存分配(内部调用)
* @param memx : 所属内存块
* @param size : 要分配的内存大小(字节)
* @retval 内存偏移地址
* @arg 0 ~ 0XFFFFFFFE : 有效的内存偏移地址
* @arg 0XFFFFFFFF : 无效的内存偏移地址
*/
static uint32_t my_mem_malloc(uint8_t memx, uint32_t size)
{
signed long offset = 0;
uint32_t nmemb; /* 需要的内存块数 */
uint32_t cmemb = 0; /* 连续空内存块数 */
uint32_t 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 */
}
/**
* @brief 释放内存(内部调用)
* @param memx : 所属内存块
* @param offset : 内存地址偏移
* @retval 释放结果
* @arg 0, 释放成功;
* @arg 1, 释放失败;
* @arg 2, 超区域了(失败);
*/
static uint8_t my_mem_free(uint8_t memx, uint32_t 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. */
}
}
/**
* @brief 释放内存(外部调用)
* @param memx : 所属内存块
* @param ptr : 内存首地址
* @retval 无
*/
void myfree(uint8_t memx, void *ptr)
{
uint32_t offset;
if (ptr == NULL)return; /* 地址为0. */
offset = (uint32_t)ptr - (uint32_t)mallco_dev.membase[memx];
my_mem_free(memx, offset); /* 释放内存 */
}
/**
* @brief 分配内存(外部调用)
* @param memx : 所属内存块
* @param size : 要分配的内存大小(字节)
* @retval 分配到的内存首地址.
*/
void *mymalloc(uint8_t memx, uint32_t size)
{
uint32_t offset;
offset = my_mem_malloc(memx, size);
if (offset == 0XFFFFFFFF) /* 申请出错 */
{
return NULL; /* 返回空(0) */
}
else /* 申请没问题, 返回首地址 */
{
return (void *)((uint32_t)mallco_dev.membase[memx] + offset);
}
}
2. main.c代码
在main.c里面编写如下代码：
const char *SRAM_NAME_BUF[SRAMBANK] = {" SRAMIN ", " SRAMEX "};
int main(void)
{
uint8_t paddr[20]; /* 存放P Addr:+p地址的ASCII值 */
uint16_t memused = 0;
uint8_t key;
uint8_t i = 0;
uint8_t *p = 0;
uint8_t *tp = 0;
uint8_t sramx = 0; /* 默认为内部sram */
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */
delay_init(72); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
usmart_dev.init(72); /* 初始化USMART */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
sram_init(); /* SRAM初始化 */
my_mem_init(SRAMIN); /* 初始化内部SRAM内存池 */
my_mem_init(SRAMEX); /* 初始化外部SRAM内存池 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "MALLOC TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "KEY0:Malloc & WR & Show", RED);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "KEY_UP:SRAMx KEY1:Free", RED);
lcd_show_string(60, 160, 200, 16, 16, " SRAMIN ", BLUE);
lcd_show_string(30, 176, 200, 16, 16, "SRAMIN USED:", BLUE);
lcd_show_string(30, 192, 200, 16, 16, "SRAMEX USED:", BLUE);
while (1)
{
key = key_scan(0); /* 不支持连按 */
switch (key)
{
case KEY0_PRES: /* KEY0按下 */
p = mymalloc(sramx, 2048);/*申请2K字节,并写入内容,显示在lcd屏幕上面 */
if (p != NULL)
{ /* 向p写入一些内容 */
sprintf((char *)p, "Memory Malloc Test%03d", i);
/* 显示P的内容 */
lcd_show_string(30, 260, 209, 16, 16, (char *)p, BLUE);
}
break;
case KEY1_PRES: /* KEY1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 > 1)sramx = 0;
lcd_show_string(60, 160, 200, 16, 16,
(char *)SRAM_NAME_BUF[sramx], BLUE);
break;
}
if (tp != p)
{
tp = p;
sprintf((char *)paddr, "P Addr:0X%08X", (uint32_t)tp);
/* 显示p的地址 */
lcd_show_string(30, 240, 209, 16, 16, (char *)paddr, BLUE);
if (p)
{ /* 显示P的内容 */
lcd_show_string(30, 260, 280, 16, 16, (char *)p, BLUE);
}
else
{
lcd_fill(30, 260, 209, 296, WHITE); /* p=0,清除显示 */
}
}
delay_ms(10);
i++;
if ((i % 20) == 0)
{
memused = my_mem_perused(SRAMIN);
sprintf((char *)paddr, "%d.%01d%%", memused / 10, memused % 10);
/* 显示内部内存使用率 */
lcd_show_string(30 + 112, 176, 200, 16, 16, (char *)paddr, BLUE);
memused = my_mem_perused(SRAMEX);
sprintf((char *)paddr, "%d.%01d%%", memused / 10, memused % 10);
/* 显示外部内存使用率 */
lcd_show_string(30 + 112, 192, 200, 16, 16, (char *)paddr, BLUE);
LED0_TOGGLE(); /* LED0闪烁 */
}
}
}
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。
48.4 下载验证
将程序下载到开发板后，可以看到LED0不停的闪烁，提示程序已经在运行了。LCD显示的内容如图48.4.1所示：
图48.4.1 内存管理实验测试图
可以看到，内存的使用率均为0%，说明还没有任何内存被使用。我们可以通过KEY_UP选择申请内存的位置：SRAIN为内部，SRAMEX为外部。此时我们选择从内部申请内存，按下KEY0，就可以看到申请了5%的一个内存块，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。效果如图48.4.2所示。
KEY0键用来更新p的内容，更新后的内容将重新显示在LCD模块上。多按几次KEY0，可以看到内存使用率持续上升（注意比对p的值，可以发现是递减的，说明是从顶部开始分配内存！）。每次申请一个内存块后，可以通过按下KEY0释放本次申请的内存，如果我们每次申请完内存不再使用却不及时释放掉，再按KEY1将无法释放之前的内存了，当这样的情况重复了多次，就会造成“内存泄漏”。我们程序就是模拟这样一个情况，告诉大家在实际使用的时候去注意到这种做法的危险性，必须在编程时严格避免内存泄漏的情况发生。
图48.4.2 按下KEY0申请了部分内存
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48.4.2所示：
图48.4.2 USMART测试内存管理图
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：0x20009080，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。