2019年01月09日 | STM32学习笔记一一内存管理

1.简介

内存管理：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，最终都是要实现两个函数： malloc 和 free。

malloc ：函数用于内存申请； 

free： 函数用于内存释放。

1.1 分块式内存管理原理

由上图可知，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：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。

1.2 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：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。

1.2 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。

2.软件分析

头文件:

#ifndef __MALLOC_H

#define __MALLOC_H

#include "stm32f10x.h"

#ifndef NULL

#define NULL 0

#endif

//内存参数设定.

#define MEM_BLOCK_SIZE          32                              //内存块大小为32字节

#define MEM_MAX_SIZE            42*1024                         //最大管理内存 42K

#define MEM_ALLOC_TABLE_SIZE    MEM_MAX_SIZE/MEM_BLOCK_SIZE     //内存表大小

//内存管理控制器

struct _m_mallco_dev

{

    void (*init)(void);             //初始化

    u8 (*perused)(void);            //内存使用率

    u8  *membase;                   //内存池 

    u16 *memmap;                    //内存管理状态表

    u8  memrdy;                     //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 mem_init(void);                     //内存管理初始化函数(外/内部调用)

u32 mem_malloc(u32 size);               //内存分配(内部调用)

u8 mem_free(u32 offset);                //内存释放(内部调用)

u8 mem_perused(void);                   //得内存使用率(外/内部调用) 

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//用户调用函数

void myfree(void *ptr);                 //内存释放(外部调用)

void *mymalloc(u32 size);               //内存分配(外部调用)

void *myrealloc(void *ptr,u32 size);    //重新分配内存(外部调用)

#endif

参考例程：

#include "malloc.h"     

//内存池(4字节对齐)

__align(4) u8 membase[MEM_MAX_SIZE];            //SRAM内存池

//内存管理表

u16 memmapbase[MEM_ALLOC_TABLE_SIZE];           //SRAM内存池MAP

//内存管理参数       

const u32 memtblsize=MEM_ALLOC_TABLE_SIZE;      //内存表大小

const u32 memblksize=MEM_BLOCK_SIZE;            //内存分块大小

const u32 memsize=MEM_MAX_SIZE;                 //内存总大小

//内存管理控制器

struct _m_mallco_dev mallco_dev=

{

    mem_init,           //内存初始化

    mem_perused,        //内存使用率

    membase,            //内存池

    memmapbase,         //内存管理状态表

    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  

void mem_init(void)  

{  

    mymemset(mallco_dev.memmap, 0,memtblsize*2);//内存状态表数据清零  

    mymemset(mallco_dev.membase, 0,memsize);    //内存池所有数据清零  

    mallco_dev.memrdy=1;                        //内存管理初始化OK  

}  

//获取内存使用率

//返回值:使用率(0~100)

u8 mem_perused(void)  

{  

    u32 used=0;  

    u32 i;  

    for(i=0;i

    {  

        if(mallco_dev.memmap[i])

            used++; 

    } 

    return (used*100)/(memtblsize);  

}  

//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 mem_malloc(u32 size)  

{  

    signed long offset=0;  

    u16 nmemb;  //需要的内存块数  

    u16 cmemb=0;//连续空内存块数

    u32 i;  

    if(!mallco_dev.memrdy)

        mallco_dev.init();  //未初始化,先执行初始化 

    if(size==0)

        return 0XFFFFFFFF;              //不需要分配

    nmemb=size/memblksize;                      //获取需要分配的连续内存块数

    if(size%memblksize)

        nmemb++;  

    for(offset=memtblsize-1;offset>=0;offset--) //搜索整个内存控制区  

    {     

        if(!mallco_dev.memmap[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

            {  

                mallco_dev.memmap[offset+i]=nmemb;  

            }  

            return (offset*memblksize);         //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) 

//offset:内存地址偏移

//返回值:0,释放成功;1,释放失败;  

u8 mem_free(u32 offset)  

{  

    int i;  

    if(!mallco_dev.memrdy)//未初始化,先执行初始化

    {

        mallco_dev.init();    

        return 1;//未初始化  

    }  

    if(offset

    {  

        int index=offset/memblksize;        //偏移所在内存块号码  

        int nmemb=mallco_dev.memmap[index]; //内存块数量

        for(i=0;i

        {  

            mallco_dev.memmap[index+i]=0;  

        }

        return 0;  

    }

    else

        return 2;//偏移超区了.  

}  

//释放内存(外部调用) 

//ptr:内存首地址 

void myfree(void *ptr)  

{  

    u32 offset;  

    if(ptr==NULL)

        return;//地址为0.  

    offset=(u32)ptr-(u32)mallco_dev.membase;  

    mem_free(offset);   //释放内存     

}  

//分配内存(外部调用)

//size:内存大小(字节)

//返回值:分配到的内存首地址.

void *mymalloc(u32 size)  

{  

    u32 offset;     

    offset=mem_malloc(size);                       

    if(offset==0XFFFFFFFF)

        return NULL;  

    else 

        return (void*)((u32)mallco_dev.membase+offset);  

}  

//重新分配内存(外部调用)

//*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(void *ptr,u32 size)  

{  

    u32 offset;  

    offset=mem_malloc(size);  

    if(offset==0XFFFFFFFF)

        return NULL;     

    else  

    {                                      

        mymemcpy((void*)((u32)mallco_dev.membase+offset),ptr,size); //拷贝旧内存内容到新内存   

        myfree(ptr);                                                //释放旧内存

        return (void*)((u32)mallco_dev.membase+offset);             //返回新内存首地址

    }  

}

主函数测试：

#include "led.h"

#include "delay.h"

#include "sys.h"

#include "usart.h"

#include "lcd.h"

#include "key.h"

#include "malloc.h" 

#include "usmart.h" 

 int main(void)

 { 

    u8 key;      

    u8 i=0;     

    u8 *p=0;

    u8 *tp=0;

    u8 paddr[18];           //存放P Addr:+p地址的ASCII值 

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);// 设置中断优先级分组2

    delay_init();            //延时函数初始化    

    uart_init(9600);        //串口初始化为9600

    LED_Init();             //初始化与LED连接的硬件接口

    LCD_Init();             //初始化LCD    

    usmart_dev.init(72);    //初始化USMART 

    KEY_Init();             //按键初始化   

    mem_init();             //初始化内存池

    POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色 

    LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"Mini STM32");   

    LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"MALLOC TEST");  

    LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");

    LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2014/3/12");  

    LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"KEY0:Malloc");

    LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"KEY1:Write Data");

    LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"WK_UP:Free");

    POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色  

    LCD_ShowString(60,190,200,16,16,"SRAM USED:   %");  

    while(1)

    {   

        key=KEY_Scan(0);//不支持连按 

        switch(key)

        {

            case 0:     //没有按键按下    

                break;

            case 1:     //KEY0按下

                p=mymalloc(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 2:     //KEY1按下       

                if(p!=NULL)

                {

                    sprintf((char*)p,"Memory Malloc Test%03d",i);//更新显示内容    

                    LCD_ShowString(60,250,200,16,16,p);          //显示P的内容

                }

                break;

            case 3:     //WK_UP按下     

                myfree(p);  //释放内存

                p=0;        //指向空地址

                break; 

        }

        if(tp!=p)

        {

            tp=p;

            sprintf((char*)paddr,"P Addr:0X%08X",(u32)tp);

            LCD_ShowString(60,230,200,16,16,paddr); //显示p的地址

            if(p)LCD_ShowString(60,250,200,16,16,p);//显示P的内容

            else LCD_Fill(60,250,239,266,WHITE);    //p=0,清除显示

        }

        delay_ms(10);   

        i++;

        if((i%20)==0)//DS0闪烁.

        {

            LCD_ShowNum(60+80,190,mem_perused(),3,16);//显示内存使用率

            LED0=!LED0;

        }

    }          

}

参考：

1.原子库函数教程

2.STM32-内存管理