FreeRTOS_内存管理
目录
1. 内存管理简介
2. 内存碎片
3. heap_1 内存分配方法
3.1 分配方法简介
4. heap_2 内存分配方法
4.1 分配方法简介
4.2 内存块详解
5. heap_4 内存分配方法
6. FreeRTOS 内存管理实验
6.1 实验程序
内存管理是一个系统基本组成部分，FreeRTOS 中大量使用到了内存管理，比如创建任务、信号量、队列等会自动从堆中申请内存。用户应用层代码也可以使用 FreeRTOS 提供的内存管理函数申请和释放内存。
1. 内存管理简介
FreeRTOS 创建任务、队列、信号量等的时候有两种方法，一种是动态的申请所需的 RAM。一种是由用户自行定义所需的 RAM，这种方法也叫静态方法，使用静态方法的函数一般以 “Static” 结尾，比如任务创建函数 xTaskCreateStatic()，使用此函数创建任务的时候需要由用户定义任务堆栈。
使用动态内存管理的时候 FreeRTOS 内核在创建任务、队列、信号量的时候会动态的申请 RAM。标准 C 库中的 malloc() 和 free() 也可以实现动态内存管理，但是如下原因限制了其作用：
- 在小型的嵌入式系统中效率不高。
- 会占用很多的代码空间。
- 它们不是线程安全的。
- 具有不确定性，每次执行的时间不同。
- 会导致内存碎片。
- 使链接器的配置变得复杂。
不同的嵌入式系统对于内存分配和时间要求不同，因此一个内存分配算法可以作为系统的可选选项。FreeRTOS 将内存分配作为移植层的一部分，这样 FreeRTOS 使用者就可以使用自己的合适的内存分配方法。
当内核需要 RAM 的时候可以使用 pvPortMalloc() 来代替 malloc() 申请内存，不使用内存的时候可以使用 vPortFree() 函数来代替 free() 函数释放内存。函数 pvPortMalloc()、vPortFree() 与函数 malloc()、free() 的函数原型类似。
FreeRTOS 提供了 5 种内存分配方法，FreeRTOS 使用者可以使用其中的某一种方法，或者自己的内存分配方法。这 5 种方法是 5 个文件，分别是：heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c 和 heap_5.c。这 5 个文件在 FreeRTOS 源码中。
2. 内存碎片
学习 FreeRTOS 的内存分配方法之前我们先来看一下什么叫做内存碎片，顾名思义就是小块的、碎片化的内存。那么内存碎片是怎么来的呢？内存碎片是随着内存申请和释放而来的。
（1）此时内存堆还没有经过任何操作，为全新的。
（2）此时经过第一次内存分配，一共分出去了 4 块内存块，大小分别为 80B、80B、10B 和 100B。
（3）有些应用使用完内存，进行了释放，从左往右第一个 80B 和后面的 10B 这两个内存块就是释放的内存。如果此时有个应用需要 50B 的内存，那么它可以从两个地方来获取到，一个是最前面的还没被分配过的剩余内存块，另一个就是刚刚释放出来的 80B 的内存块。但是很明显，刚刚释放出来的这个 10B 的内存块就没法用了，除非此时有另外一个应用所需要的内存小于 10B。
（4）经过很多次的申请和释放以后，内存块被不断的分割、最终导致大量很小的内存块！也就是图中 80B 和 50B 这两个内存块之间的小内存块，这些内存块由于太小导致大多数应用无法使用，这些没法使用的内存块就沦为了内存碎片！
内存碎片是内存管理算法重要重点解决的一个问题！否则的话会导致实际可用的内存越来越少，最终应用程序因为分配不到合适的内存而崩溃！FreeRTOS 的 heap_4.c 就给我们提供了解决内存碎片的方法，那就是将内存碎片进行合并组成一个新的可用的大内存块。
3. heap_1 内存分配方法
3.1 分配方法简介
动态内存分配需要一个内存堆，FreeRTOS 中的内存堆为 ucHeap[]，大小为 configTOTAL_HEAP_SIZE。不管是哪种内存分配方法，它们的内存堆都是 ucHeap[]，而且大小都是 configTOTAL_HEAP_SIZE。内存堆在文件 heap_x.c（x 为 1~5）中定义的，比如 heap_1.c 文件就要如下定义：
#if(configAPPCATION_ALLOCATED_HEAP==1)
extern uint8_t ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE]; //需要用户自行定义内存堆
#else
static uint8_t ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE]; //编译器决定
#endif当宏 configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP 为 1 的时候需要用户自行定义内存堆，否则的话由编译器来决定，默认都是由编译器来决定的。如果自己定义的话就可以将内存堆定义到外部 SRAM 或者 SDRAM 中。
heap_1 实现起来就是当需要 RAM 的时候就从一个大树组（内存堆）中分一小块出来，大数组（内存堆）的容量为 configTOTAL_HEAP_SIZE。使用函数 xPortGetFreeHeapSize() 可以获取内存堆中剩余内存大小。
heap_1 特性如下：
1. 适用于那些一旦创建好任务、信号量和队列就再也不会删除的应用，实际上大多数的 FreeRTOS 应用都是这样的。
2. 具有可确定性（执行所花费的时间大多数都是一样的），而且不会导致内存碎片。
3. 代码实现和内存分配过程都非常简单，内存是从一个静态数组中分配到的，也就是适合于那些不需要动态内存分配的应用。
4. heap_2 内存分配方法
4.1 分配方法简介
heap_2 提供了一个更好的分配算法，不同于 heap_1，heap_2 提供了内存释放函数。heap_2 不会把释放的内存块合并成一个大块，这样有一个缺点，随着不断的申请内存，内存堆就会被分为很多个大小不一的内存(块)，也就是会导致内存碎片！heap_4 提供了空闲内存块合并的功能。
heap_2 特性如下：
1. 可以使用那些可能会重复的删除任务、队列、信号量等的应用中，要注意有内存碎片产生！
2. 如果分配和释放的内存 n 大小是随机的，那么就要慎重使用了，比如下面的示例：
- 如果一个应用动态的创建和删除任务，而且任务需要分配的堆栈大小都是一样的，那么 heap_2 就非常合适。如果任务所需的堆栈大小每次都不同，那么 heap_2 就不合适了，因为这样会导致内存碎片的产生，最终导致任务分配不到合适的堆栈！不过 heap_4 就很适合这种情景了。
- 如果一个应用中所使用的队列存储区域每次都不同，那么 heap_2 就不合适了。
- 应用需要调用 pvPortMalloc() 和 vPortFree() 来申请和释放内存，而不是通过 FreeRTOS 的其他 API 函数来间接调用，这种情况下 heap_2 不适合。
3. 如果应用中的任务、队列、信号量和互斥信号量具有不可预料性（如所需的内存大小不能确定，每次所需的内存都不相同，或者说大多数情况下所需的内存都是不同的）的话可能会导致内存碎片。
4. 具有不确定性，但是也远比标准 C 中的 malloc() 和 free() 效率高！
heap_2 基本上可以适用于大多数的需要动态分配内存的工程中，而 heap_4 更是具有将内存碎片合并成一个大的空闲内存块（就是内存碎片回收）的功能。
4.2 内存块详解
同 heap_1 一样，heap_2 整个内存堆为 ucHeap[]，大小为 configTOTAL_HEAP_SIZE。可以通过函数 xPortGetFreeHeapSize() 来获取剩余的内存大小。
为了实现内存释放，heap_2 引入了内存块的概念，每分出去的一段内存就是一个内存块，剩下的空闲内存也是一个内存块，内存块大小不定。为了管理内存块又引入了一个链表结构，链表结构如下：
typedef struct A_BLOCK_LINK
{
struct A_BLOCK_LINK *pxNextFreeBlock; //指向链表中下一个空闲内存块
size_t xBlockSize; //当前空闲内存块大小
}BlockLink_t; 每个内存块前面都会有一个 BlockLink_t 类型的变量来描述此内存块，比如我们现在申请了一个 16 个字节的内存块，那么此内存块结构如下图所示：
上图中内存块的总大小是 24 个字节，虽然我们只申请了 16 个字节，但是还需要另外 8 个字节来保存 BlockLink_t 类型的结构体变量，xBlockSize 记录的是整个内存块的大小。
为了方便管理，可用的内存块会被全部组织在一个链表内，局部静态变量 xStart，xEnd 用来记录这个链表的头和尾，这两个变量的定义如下：
static BlockLink_t xStart，xEnd；5. heap_4 内存分配方法
heap_4 提供了一个最优的匹配算法，不像 heap_2，heap_4 会将内存碎片合并成一个大的可用内存块，它提供了内存块合并算法。内存堆为 ucHeap[]，大小同样为 configTOTAL_HEAP_SIZE。可以通过函数 xPortGetFreeHeapSize() 来获取剩余的内存大小。
heap_4 特性如下：
1. 可以用在那些需要重复创建和删除任务、队列、信号量和互斥信号量等的应用中。
2. 不会像 heap_2 那样产生严重的内存碎片，即使分配的内存大小是随机的。
3. 具有不确定性，但是远比 C 标准库中的 malloc() 和 free() 函数效率高。
heap_4 非常适合于那些需要直接调用函数 pvPortMalloc() 和 vPortFree() 来申请和释放内存的应用，注意，我们移植 FreeRTOS 的时候就选择 heap_4！
heap_4 也使用链表结构来管理空闲内存块，链表结构体与 heap_2 一样。heap_4 也定义了两个局部静态变量 xStart 和 pxEnd 来表示链表头和尾，其中 pxEnd 是指向 BlockLink_t 的指针。
6. FreeRTOS 内存管理实验
本节我们设计一个小程序来学习 FreeRTOS 的内存申请和释放函数：pvPortMalloc()、vPortFree()，并且观察申请和释放的过程中内存大小的变化情况。
本实验设计两个任务：start_task 和 malloc_task，这两个任务的任务功能如下：
start_task：用来创建另外一个任务。
malloc_task：此任务用于完成内存的申请、释放和使用功能。任务会不断的获取按键情况，当检测到 KEY_UP 按下的时候就会申请内存，当 KEY0 按下以后就会使用申请到的内存，如果检测到 KEY1 按下的话就会释放申请到的内存。
实验中会用到 3 个按键：KEY0、KEY1 和 KEY_UP，KEY_UP 用于申请内存，KEY0 使用申请到的内存，KEY1 释放申请到的内存。
6.1 实验程序
#include "stm32f4xx.h"
#include "FreeRTOS.h" //这里注意必须先引用FreeRTOS的头文件，然后再引用task.h
#include "task.h" //存在一个先后的关系
#include "LED.h"
#include "LCD.h"
#include "Key.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "string.h"
#include "beep.h"
#include "malloc.h"
#include "timer.h"
//任务优先级
#define START_TASK_PRIO 1 //用来创建另外一个任务。
//任务堆栈大小
#define START_STK_SIZE 128
//任务句柄
TaskHandle_t StartTask_Handler;
//任务函数
void start_task(void *pvParameters);
//任务优先级
#define MALLOC_TASK_PRIO 2 //此任务用于完成内存的申请、释放和使用功能。
//任务会不断的获取按键情况，当检测到 KEY_UP 按下的时候就会申请内存，
//当 KEY0 按下以后就会使用申请到的内存，如果检测到 KEY1 按下的话就会释放申请到的内存。
//任务堆栈大小
#define MALLOC_STK_SIZE 128
//任务句柄
TaskHandle_t MallocTask_Handler;
//任务函数
void malloc_task(void *p_arg);
int main(void)
{
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4); //设置系统中断优先级分组4
delay_init(168);
uart_init(115200);
LED_Init();
KEY_Init();
LCD_Init();
my_mem_init(SRAMIN); //初始化内部内存池
POINT_COLOR = RED;
LCD_ShowString(30,10,200,16,16,"ATK STM32F407");
LCD_ShowString(30,30,200,16,16,"FreeRTOS Example");
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Memory Manage");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"KEY_UP:Malloc,KEY1:Free");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"KEY0:Use Memory");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"2023/11/09");
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Total Mem: Bytes"); //总共内存大小
LCD_ShowString(30,190,200,16,16,"Free Mem: Bytes"); //剩余内存大小
LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Message: "); //内存中存储的信息
POINT_COLOR = BLUE;
//创建开始任务
xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task, //任务函数
(const char* )"start_task", //任务名称
(uint16_t )START_STK_SIZE, //任务堆栈大小
(void* )NULL, //传递给任务函数的参数
(UBaseType_t )START_TASK_PRIO, //任务优先级
(TaskHandle_t* )&StartTask_Handler); //任务句柄
vTaskStartScheduler(); //开启任务调度
}
//开始任务任务函数
void start_task(void *pvParameters)
{
taskENTER_CRITICAL(); //进入临界区
//创建Malloc任务函数
xTaskCreate((TaskFunction_t )malloc_task, //任务函数
(const char* )"malloc_task", //任务名称
(uint16_t )MALLOC_STK_SIZE, //任务堆栈大小
(void* )NULL, //传递给任务函数的参数
(UBaseType_t )MALLOC_TASK_PRIO, //任务优先级
(TaskHandle_t* )&MallocTask_Handler); //任务句柄
vTaskDelete(StartTask_Handler); //删除开始任务
taskEXIT_CRITICAL(); //离开临界区
}
//Malloc任务函数
void malloc_task(void *pvParameters)
{
u8 *buffer;
u8 times,i,key=0;
u32 freemen;
LCD_ShowxNum(110,170,configTOTAL_HEAP_SIZE,5,16,0); //显示内存总容量 8*10+30=110
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
switch(key)
{
case WKUP_PRES:
buffer=pvPortMalloc(30);
printf("申请到的内存地址为:%#x\r\n",(int)buffer); //“#x”表示将整数值以十六进制格式输出，并且在输出结果前添加“0x”前缀
break;
case KEY1_PRES:
if(buffer!=NULL)
vPortFree(buffer); //释放内存
buffer=NULL;
break;
case KEY0_PRES:
if(buffer!=NULL) //buffer内存可用，使用内存
{
times++;
sprintf((char*)buffer,"User %d Times",times); //向buffer中填写一些数据
LCD_ShowString(94,210,200,16,16,buffer);
}
break;
}
freemen=xPortGetFreeHeapSize(); //获取剩余内存大小
LCD_ShowxNum(110,190,freemen,5,16,0); //显示内存总容量
i++;
if(i==50)
{
i=0;
LED0=~LED0;
}
vTaskDelay(10);
}
}