嵌入式系统中的内存分配

Question

Linux/Unix系统通常运行在提供内存映射的x86 CPU架构上，但我猜嵌入式系统缺乏这个功能，因此没有malloc和free。

我看到ES程序员可以创建一个大的静态缓冲区来保留内存：

unsigned char mem[10240];

但我想知道它是如何工作的，缓冲区从哪里开始，以及C编译器如何在一些平台上映射变量定义到实际内存位置。

我也在ES头文件中看到过这样的常量（从ARM STM32L1xx中提取）：

#define SRAM_BASE ((uint32_t)0x20000000) /*!< SRAM base address in the alias region */

我了解SRAM代表“静态”RAM，但是“基地址”是否意味着保留用于堆栈访问的内存区域的开头，因此程序员可以使用指向该基地址和块链表的指针来分配和释放RAM块？

- explogx

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Malloc和free不需要MMU。 - Yunnosch

我看到了一些使用各种技术实现的“自制”malloc，但是我在我的系统中使用的malloc使用mmap系统调用，该调用使用MMU。 - explogx

此外，malloc的ES实现是与硬件相关的：由于没有MMU，必须使用这些基地址常量来进行DMA。 - explogx

unsigned char *mem[10240]; is not probably typed as you'd want... Perhaps you meant unsigned char mem[10240]; - Antti Haapala -- Слава Україні

不，访问物理内存并不是“直接内存访问”所描述的内容。简单来说，DMA是在不使用CPU的情况下访问内存，例如外围设备缓慢地存储大块数据，然后只在完成时通知CPU。 - Yunnosch

Answer 1

我觉得这个问题存在一些误解。让我来尝试梳理一下。

函数malloc和free不需要MMU。 你看到某个实现使用了MMU并不意味着它总是需要的。 虽然MMU可能会使实现更容易，在PMMU的情况下甚至可以通过使用虚拟内存延迟尝试malloc的失败，但在静态分配变量上实现这两个函数是可能的。使用适当大小的数组（如您所提到的）是一种方法。我至少在两种不同情况下这样做，以适应使用动态内存分配的应用程序的实现。 请注意，在嵌入式系统上，需要扩展有关系统行为的知识，以使用适当的算法和大小避免内存耗尽（通常由于碎片化而引起或加剧）。但对于嵌入式系统，这些知识有时是可用的。

使用这样的数组意味着它首先像任何其他（大）变量一样由链接器完全正常地分配。 因此，地址是根据配置和系统属性由链接器确定的。一个可能的位置是在BSS段内（没有特定值初始化的全局或静态变量）。

你的问题的最后一段尤其不清楚，并似乎在多个主题之间切换。 是的，SRAM是用于静态RAM的。然而，“静态”的意思并不与C语法中的任何意义相关。 SRAM的“静态”是指内存的硬件实现。它与动态RAM相对。动态RAM比静态RAM便宜得多，但它需要定期刷新。刷新通常由MMU处理，但我没有看到与您提到的另一种MMU需求有任何关系。因此，SRAM可以在嵌入式系统中用于在CPU几乎死亡的阶段保持内容，这经常被称为“低功耗模式”。

术语“基地址”有许多含义。它可以指用于分配BSS变量的区域的最低地址，也可以指用于动态内存管理的区域的最低地址。

程序员通过请求指针来动态分配内存，而不是通过给出指针来完成此操作，例如一个成功的malloc尝试的返回值就是所请求的指针。

实现在专门用于此目的的内存区域（可能是上述大数组）内分配动态内存。如果有可用的内存（例如仍然存在空闲块的链接列表中），则返回其中一个内存块的地址（当然后面跟着足够的空闲空间以容纳所请求的大小），并保留有关剩余内存（如果有的话）的信息（例如通过将该现在更小的空间重新插入链接列表）。如果没有足够的内存剩余，则返回值表示失败。

- Yunnosch

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在资源有限的硬件上进行动态分配可能会导致非常快速的内存碎片化，我个人尽量避免这种情况。编程资源有限的目标与编程“普通”计算机是不同的。 - 0___________

@P__J__ 我同意并在我的问题中提到了这一点。你似乎只是同意我。你想详细说明一下你对我的问题有什么问题吗？如果有你的建议，我很乐意改进。 - Yunnosch

链接器如何负责静态缓冲区的内存分配？至于“基地址”，我指的是程序员询问（或创建）指向此基地址的指针。我的意思是，使用大型静态缓冲区或指向基地址的指针是一样的，对吗？在这两种情况下，您都引用了一个连续的内存区域（考虑到基地址是指物理内存）。 - explogx

@P__J__ 真是太令人欣慰了。在这个非常规的话题上，我会把中立的评论视为一种赞美。 - Yunnosch

@Prion，你完全错了。你试图在没有基础知识的情况下理解高级主题。在开始讨论之前，你需要再学习一些东西。 - 0___________

Answer 2

嵌入式系统是一个非常广泛的术语。它可能指没有操作系统的微控制器或带有操作系统的“普通”计算机。

一些例子: - 微控制器读取传感器并通过管道控制水流。 - 树莓派在Linux下运行，控制着嵌入到无人机中的树莓派。 - PC电脑控制激光切割机。 - 主机计算机在射电望远镜系统中。

因此，你的问题没有一个确定的答案。

与在无人机中使用的树莓派不同，uC系统将以完全不同的方式编程。

但是我认为你的问题可能涉及到uC系统。 uC系统的编程通常被称为“裸机”，因为程序员在其应用程序和实际硬件之间没有立即软件(抽象层)。因此，他们直接访问内存、硬件寄存器和其他资源。即使在裸机开发中使用的操作系统(称为RTOS)也与像Linux或Windows这样的常规操作系统完全不同。它们更像是链接到裸金属应用程序的库，只提供任务管理、通信、同步和数据交换机制。

以下是您在评论中提出的一些问题: - DMA - 直接内存访问 - 允许在没有使用处理器核心的情况下，在内存与外设或内存之间传输数据。一些uC具有非常复杂的DMA和事件系统-例如，定时器溢出可以触发ADC，然后触发DMA传输，将转换后的数据存储到内存中。 - 链接器脚本 - 定义存储在内存中的内容、方式和位置。它们可能非常复杂，并指示包括或排除代码或数据，并如何组织程序存储器。以下是STM32系列uC的链接器脚本示例。

/* Entry Point */
ENTRY(Reset_Handler)

_estack = 0x10004000;    /* end of RAM */

/* Generate a link error if heap and stack don't fit into RAM */
_Min_Heap_Size = 0x100;      /* required amount of heap  */
_Min_Stack_Size = 0x1000; /* required amount of stack */

/* Specify the memory areas */
MEMORY
{
RAM (xrw)      : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 64K
CCMRAM (rw)      : ORIGIN = 0x10000000, LENGTH = 16K
FLASH (rx)      : ORIGIN = 0x8000000 + 32K, LENGTH = 512K - 34K
}

_FLASH_SIZE = LENGTH(FLASH);

/* Define output sections */
SECTIONS
{
  /* The startup code goes first into FLASH */
  .isr_vector :
  {
    . = ALIGN(4);
    _vectors_start = .;
    KEEP(*(.isr_vector)) /* Startup code */
    . = ALIGN(4);
    _vectors_end = .;
  } >FLASH

  .sizedata :
  {
    . = ALIGN(4);
    KEEP(*(.sizedata))
    KEEP(*(.sizedata*)) 
    . = ALIGN(4);
  } >FLASH  

    .flashdata :
  {
    . = ALIGN(4);
    KEEP(*(.rodata))         /* .rodata sections (constants, strings, etc.) */
    KEEP(*(.rodata*))       /* .rodata* sections (constants, strings, etc.) */
    . = ALIGN(4);
  } >FLASH

  /* The program code and other data goes into FLASH */
  .text :
  {
    . = ALIGN(4);
    *(.text)           /* .text sections (code) */
    *(.text*)          /* .text* sections (code) */
    *(.glue_7)         /* glue arm to thumb code */
    *(.glue_7t)        /* glue thumb to arm code */
    *(.eh_frame)

    KEEP (*(.init))
    KEEP (*(.fini))

    . = ALIGN(4);
    _etext = .;        /* define a global symbols at end of code */
  } >FLASH

  /* Constant data goes into FLASH */
  .rodata :
  {
    . = ALIGN(4);
    *(.rodata)         /* .rodata sections (constants, strings, etc.) */
    *(.rodata*)        /* .rodata* sections (constants, strings, etc.) */
    . = ALIGN(4);
  } >FLASH




  .ARM.extab   : { *(.ARM.extab* .gnu.linkonce.armextab.*) } >FLASH
  .ARM : {
    __exidx_start = .;
    *(.ARM.exidx*)
    __exidx_end = .;
  } >FLASH

  .preinit_array     :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_start = .);
    KEEP (*(.preinit_array*))
    PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_end = .);
  } >FLASH
  .init_array :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__init_array_start = .);
    KEEP (*(SORT(.init_array.*)))
    KEEP (*(.init_array*))
    PROVIDE_HIDDEN (__init_array_end = .);
  } >FLASH
  .fini_array :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_start = .);
    KEEP (*(SORT(.fini_array.*)))
    KEEP (*(.fini_array*))
    PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_end = .);
  } >FLASH


  /* used by the startup to initialize data */
  _sidata = LOADADDR(.data);
   _ROMEND = .;


  /* Initialized data sections goes into CCMRAM, load LMA copy after code */
  .data : 
  {
    . = ALIGN(4);
    _sdata = .;        /* create a global symbol at data start */
    *(.data)           /* .data sections */
    *(.data*)           /* .data sections */
    . = ALIGN(4);
    _edata = .;        /* define a global symbol at data end */
  } >CCMRAM AT> FLASH

   _ROMSIZE = _ROMEND - ORIGIN(FLASH) + _edata - _sdata;

  _siccmram = ORIGIN(CCMRAM);
    _sconfig = _ROMSIZE;
  _econfig = _sconfig + 2K;
    .bss :
  {
    /* This is used by the startup in order to initialize the .bss secion */
    _sbss = .;         /* define a global symbol at bss start */
    __bss_start__ = _sbss;
    *(.bss)
    *(.bss*)
    *(COMMON)

    . = ALIGN(4);
    _ebss = .;         /* define a global symbol at bss end */
    __bss_end__ = _ebss;
  } >CCMRAM

  /* RAM section 
  */

      /* Uninitialized data section */
   .dummy :
   {
   . = ALIGN(4);
   *(.dummy)
   *(.dummy*)
   . = ALIGN(4);
   } > RAM AT > FLASH

  .ram :
  {  
    . = ALIGN(4);
    _sram = .;       /* create a global symbol at ccmram start */
    *(.ram)
    *(.ram*)   
    . = ALIGN(4);
    _eram = .;       /* create a global symbol at ccmram end */
  } >RAM 

  /* User_heap_stack section, used to check that there is enough RAM left */
  ._user_heap_stack (NOLOAD):
  {
    . = ALIGN(8);
    PROVIDE ( end = . );
    PROVIDE ( _end = . );
    . = . + _Min_Heap_Size;
    . = . + _Min_Stack_Size;
    . = ALIGN(8);
  } >CCMRAM



  /* Remove information from the standard libraries */
  /DISCARD/ :
  {
    libc.a ( * )
    libm.a ( * )
    libgcc.a ( * )
  }


  .ARM.attributes 0 : { *(.ARM.attributes) }
}

MMU - 一些微控制器有内存管理单元，但通常此外设仅保护某些内存区域。由于您没有操作系统，因此也没有文件系统 - 因此不存在类似mmap的内容。

  #define SRAM_BASE ((uint32_t)0x20000000)

它只是以人类可读的方式定义了某物的地址。在这种情况下，它可能只是SRAM内存开头的地址。另一个例子：

#define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000U)
#define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x00010000U)
#define SPI1_BASE             (APB2PERIPH_BASE + 0x00003000U)
#define SPI1                ((SPI_TypeDef *) SPI1_BASE)

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非常感谢您详细的回答。我指的是微控制器，是的，这让我更加明白了。 - explogx

另外，mmap 不一定使用文件系统，在 Linux/Unix 系统中可以使用文件描述符为 -1 的 MAP_ANONYMOUS 扩展堆区域。 - explogx

BSD系统没有这个标志，您需要用另一种方式存档：fd = open("/dev/zero", O_RDWR); a = mmap(NULL, length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0); 它不仅用于扩展堆，而且还可以避免虚拟地址空间的碎片化，将内存分配到全局堆之外，并在取消映射后立即将内存返回给系统。 - 0___________

MMU - 内存管理单元，MPU - 内存保护单元...一些微控制器可能只有 MPU，甚至没有这个。 - kesselhaus

@kesselhaus和我的回答有什么共同点？ - 0___________