【FreeRTOS 应用开发笔记】内存管理（十一）

一、内存管理的基本概念

1、内存管理的作用

在嵌入式程序设计中内存分配应该是根据所设计系统的特点来决定选择使用动态内存分配还是静态内存分配算法，一些可靠性要求非常高的系统应选择使用静态的，而普通的业务系统可以使用动态来提高内存使用效率。静态可以保证设备的可靠性但是需要考虑内存上限，内存使用效率低，而动态则是相反。

2、关于多种内存管理的算法的应用场景

【heap_1.c 】

heap_1.c 管理方案是 FreeRTOS 提供所有内存管理方案中最简单的一个，它只能申请内存而不能进行内存释放，并且申请内存的时间是一个常量，这样子对于要求安全的嵌入式设备来说是最好的，因为不允许内存释放，就不会产生内存碎片而导致系统崩溃，但是也有缺点，那就是内存利用率不高，某段内存只能用于内存申请的地方，即使该内存只使用一次，也无法让系统回收重新利用。

heap1.c 方案具有以下特点： 1、 用于从不删除任务、队列、信号量、互斥量等的应用程序（实际上大多数使用FreeRTOS 的应用程序都符合这个条件）。 2、 函数的执行时间是确定的并且不会产生内存碎片。

【heap_2.c 】

heap_2.c 方案与 heap_1.c 方案采用的内存管理算法不一样，它采用一种最佳匹配算法 ，比如我们申请 100 字节的内存，而可申请内存中有三块对应大小 200 字节， 500 字节和 1000 字节大小的内存块，按照算法的最佳匹配，这时候系统会把 200 字节大小的内存块进行分割并返回申请内存的起始地址，剩余的内存则插回链表留待下次申请。（内存块空闲链表按内存块大小升序排列， 所以最先返回的的块一定是最符合申请内存大小，所谓的最匹配算法就是这个意思来的）

Heap_2.c 方案支持释放申请的内存，但是它不能把相邻的两个小的内存块合成一个大的内存块，对于每次申请内存大小都比较固定的，这个方式是没有问题的，而对于每次申请并不是固定内存大小的则会造成内存碎片。

heap_2.c 方案具有以下特点： 1. 可以用在那些反复的删除任务、队列、信号量、等内核对象且不担心内存碎片的应用程序。 2. 如果我们的应用程序中的队列、任务、信号量、等工作在一个不可预料的顺序，这样子也有可能会导致内存碎片。 3. 具有不确定性，但是效率比标准 C 库中的 malloc 函数高得多 4. 不能用于那些内存分配和释放是随机大小的应用程序。

【heap_3.c 】

heap_3.c 方案只是简单的封装了标准 C 库中的 malloc()和 free()函数，并且能满足常用的编译器。重新封装后的 malloc()和 free()函数具有保护功能，采用的封装方式是操作内存前挂起调度器、完成后再恢复调度器。

heap_3.c 方案具有以下特点： 1、 需要链接器设置一个堆，malloc()和 free()函数由编译器提供。 2、 具有不确定性。 3、 很可能增大 RTOS 内核的代码大小。

【heap_4.c 】

heap_4.c 方案与 heap_2.c 方案一样都采用最佳匹配算法来实现动态的内存分配，但是不一样的是 heap_4.c 方案还包含了一种合并算法，能把相邻的空闲的内存块合并成一个更大的块，这样可以减少内存碎片。

heap_4.c 内存管理方案的空闲块链表不是以内存块大小进行排序的，而是以内存块起始地址大小排序，内存地址小的在前，地址大的在后，因为 heap_4.c 方案还有一个内存合并算法，在释放内存的时候，假如相邻的两个空闲内存块在地址上是连续的，那么就可以合并为一个内存块。 

heap_4.c 方案具有以下特点： 1、可用于重复删除任务、队列、信号量、互斥量等的应用程序。2、可用于分配和释放随机字节内存的应用程序，但并不像 heap2.c 那样产生严重的内存碎片。 3、具有不确定性，但是效率比标准 C 库中的 malloc 函数高得多。

【heap_5.c 】

heap_5.c 方案在实现动态内存分配时与 heap4.c 方案一样，采用最佳匹配算法和合并算法，并且允许内存堆跨越多个非连续的内存区，也就是允许在不连续的内存堆中实现内存分配，比如用户在片内 RAM 中定义一个内存堆，还可以在外部 SDRAM 再定义一个或多个内存堆，这些内存都归系统管理。

二、常用的任务函数。（更详细的用法以及函数源码可以参考《FreeRTOS 内核实现与应用开发实战指南 》）

pvPortMalloc()	内存申请函数
vPortFree()	内存释放函数
xPortGetFreeHeapSize()	获取当前内存大小

三、实验代码

/*
*************************************************************************
*                             包含的头文件
*************************************************************************
*/ 
/* FreeRTOS头文件 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
/* 开发板硬件bsp头文件 */
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_usart.h"
#include "bsp_key.h"
/**************************** 任务句柄 ********************************/
/* 
 * 任务句柄是一个指针，用于指向一个任务，当任务创建好之后，它就具有了一个任务句柄
 * 以后我们要想操作这个任务都需要通过这个任务句柄，如果是自身的任务操作自己，那么
 * 这个句柄可以为NULL。
 */
static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;/* 创建任务句柄 */
static TaskHandle_t LED_Task_Handle = NULL;/* LED_Task任务句柄 */
static TaskHandle_t Test_Task_Handle = NULL;/* Test_Task任务句柄 */



/******************************* 全局变量声明 ************************************/
/*
 * 当我们在写应用程序的时候，可能需要用到一些全局变量。
 */
uint8_t *Test_Ptr = NULL;


/*
*************************************************************************
*                             函数声明
*************************************************************************
*/
static void AppTaskCreate(void);/* 用于创建任务 */

static void LED_Task(void* pvParameters);/* LED_Task任务实现 */
static void Test_Task(void* pvParameters);/* Test_Task任务实现 */

static void BSP_Init(void);/* 用于初始化板载相关资源 */

/*****************************************************************
  * @brief  主函数
  * @param  无
  * @retval 无
  * @note   第一步：开发板硬件初始化 
            第二步：创建APP应用任务
            第三步：启动FreeRTOS，开始多任务调度
  ****************************************************************/
int main(void)
{	
  BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
  
  /* 开发板硬件初始化 */
  BSP_Init();
	printf("这是一个[野火]-STM32全系列开发板-FreeRTOS内存管理实验\n");
  printf("按下KEY1申请内存，按下KEY2释放内存\n");
   /* 创建AppTaskCreate任务 */
  xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate,  /* 任务入口函数 */
                        (const char*    )"AppTaskCreate",/* 任务名字 */
                        (uint16_t       )512,  /* 任务栈大小 */
                        (void*          )NULL,/* 任务入口函数参数 */
                        (UBaseType_t    )1, /* 任务的优先级 */
                        (TaskHandle_t*  )&AppTaskCreate_Handle);/* 任务控制块指针 */ 
  /* 启动任务调度 */           
  if(pdPASS == xReturn)
    vTaskStartScheduler();   /* 启动任务，开启调度 */
  else
    return -1;  
  
  while(1);   /* 正常不会执行到这里 */    
}


/***********************************************************************
  * @ 函数名  ： AppTaskCreate
  * @ 功能说明： 为了方便管理，所有的任务创建函数都放在这个函数里面
  * @ 参数    ： 无  
  * @ 返回值  ： 无
  **********************************************************************/
static void AppTaskCreate(void)
{
  BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
  
  taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区

  /* 创建LED_Task任务 */
  xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED_Task, /* 任务入口函数 */
                        (const char*    )"LED_Task",/* 任务名字 */
                        (uint16_t       )512,   /* 任务栈大小 */
                        (void*          )NULL,	/* 任务入口函数参数 */
                        (UBaseType_t    )2,	    /* 任务的优先级 */
                        (TaskHandle_t*  )&LED_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
  if(pdPASS == xReturn)
    printf("创建LED_Task任务成功\n");
  
  /* 创建Test_Task任务 */
  xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )Test_Task,  /* 任务入口函数 */
                        (const char*    )"Test_Task",/* 任务名字 */
                        (uint16_t       )512,  /* 任务栈大小 */
                        (void*          )NULL,/* 任务入口函数参数 */
                        (UBaseType_t    )3, /* 任务的优先级 */
                        (TaskHandle_t*  )&Test_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */ 
  if(pdPASS == xReturn)
    printf("创建Test_Task任务成功\n\n");
  
  vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除AppTaskCreate任务
  
  taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
}



/**********************************************************************
  * @ 函数名  ： LED_Task
  * @ 功能说明： LED_Task任务主体
  * @ 参数    ：   
  * @ 返回值  ： 无
  ********************************************************************/
static void LED_Task(void* parameter)
{	
  while (1)
  {
    LED1_TOGGLE;
    vTaskDelay(1000);/* 延时1000个tick */
  }
}

/**********************************************************************
  * @ 函数名  ： Test_Task
  * @ 功能说明： Test_Task任务主体
  * @ 参数    ：   
  * @ 返回值  ： 无
  ********************************************************************/
static void Test_Task(void* parameter)
{	 
  uint32_t g_memsize;
  while (1)
  {
    if( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == KEY_ON )
    {
      /* KEY1 被按下 */
      if(NULL == Test_Ptr)
      {
                  
        /* 获取当前内存大小 */
        g_memsize = xPortGetFreeHeapSize();
        printf("系统当前内存大小为 %d 字节，开始申请内存\n",g_memsize);
        Test_Ptr = pvPortMalloc(1024);
        if(NULL != Test_Ptr)
        {
          printf("内存申请成功\n");
          printf("申请到的内存地址为%#x\n",(int)Test_Ptr);

          /* 获取当前内剩余存大小 */
          g_memsize = xPortGetFreeHeapSize();
          printf("系统当前内存剩余存大小为 %d 字节\n",g_memsize);
                  
          //向Test_Ptr中写入当数据:当前系统时间
          sprintf((char*)Test_Ptr,"当前系统TickCount = %d \n",xTaskGetTickCount());
          printf("写入的数据是 %s \n",(char*)Test_Ptr);
        }
      }
      else
      {
        printf("请先按下KEY2释放内存再申请\n");
      }
    } 
    if( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_GPIO_PIN) == KEY_ON )
    {
      /* KEY2 被按下 */
      if(NULL != Test_Ptr)
      {
        printf("释放内存\n");
        vPortFree(Test_Ptr);	//释放内存
        Test_Ptr=NULL;
        /* 获取当前内剩余存大小 */
        g_memsize = xPortGetFreeHeapSize();
        printf("系统当前内存大小为 %d 字节，内存释放完成\n",g_memsize);
      }
      else
      {
        printf("请先按下KEY1申请内存再释放\n");
      }
    }
    vTaskDelay(20);/* 延时20个tick */
  }
}

/***********************************************************************
  * @ 函数名  ： BSP_Init
  * @ 功能说明： 板级外设初始化，所有板子上的初始化均可放在这个函数里面
  * @ 参数    ：   
  * @ 返回值  ： 无
  *********************************************************************/
static void BSP_Init(void)
{
	/*
	 * STM32中断优先级分组为4，即4bit都用来表示抢占优先级，范围为：0~15
	 * 优先级分组只需要分组一次即可，以后如果有其他的任务需要用到中断，
	 * 都统一用这个优先级分组，千万不要再分组，切忌。
	 */
	NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );
	
	/* LED 初始化 */
	LED_GPIO_Config();

	/* 串口初始化	*/
	USART_Config();
  
  /* 按键初始化	*/
  Key_GPIO_Config();

}