第四十二章 内存管理实验
如果我们所用的内存都是直接定义一个数组来使用，灵活性会比较差，很多时候不能满足实际使用需求。为了解决这些问题，我们来学习内存管理，实现对内存的动态管理。
本章分为如下几个小节：
42.1 内存管理简介
42.2 硬件设计
42.3 程序设计
42.4 下载验证
42.1 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42.1.1所示：
图42.1.1 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。
42.2 硬件设计
1. 例程功能
本实验开机后，显示提示信息，等待外部输入。KEY0用于申请内存并写入内容，每次申请2K字节内存。KEY1用于写数据到申请到的内存里面并在LCD上显示。KEY_UP用于释放内存，只能释放上一次申请的内存，上上次以上申请的内存无法释放。还可以通过USMART调试，测试内存管理函数。
LED0闪烁用于提示程序正在运行。
2. 硬件资源
1）LED灯
LED0 – PB4
2）独立按键
KEY0 - PA1
KEY1 - PA15
WK_UP - PA0
3）串口1 (PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
4）正点原子2.8/3.5/4.3/7寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)
5）定时器4
42.3 程序设计
42.3.1 程序流程图
图42.3.1.1 内存管理实验程序流程图
42.3.2 程序解析
1. MALLOC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。
下面我们介绍malloc.h中比较重要的一些结构体和内存参数宏定义，其定义如下：
/* 定义1个内存池 */
#define SRAMIN 0 /* 内部SRAM，分为SRAM1/2/3，SRAM1+SRAM2+SRAM3，共640KB */
#define SRAMBANK 1 /* 定义支持的SRAM块数 */
/* 定义内存管理表类型,当外扩SDRAM的时候，必须使用uint32_t类型，
否则可以定义成uint16_t，以节省内存占用 */
#define MT_TYPE uint16_t
/* 单块内存，内存管理所占用的全部空间大小计算公式如下：
* size = MEM1_MAX_SIZE + (MEM1_MAX_SIZE / MEM1_BLOCK_SIZE) * sizeof(MT_TYPE)
* 以SRAMIN为例，size = 520 * 1024 + (520 * 1024 / 32) * 2 = 565760 = 552.5KB
* 已知总内存容量(size)，最大内存池的计算公式如下：
* MEM1_MAX_SIZE = (MEM1_BLOCK_SIZE * size) / (MEM1_BLOCK_SIZE+sizeof(MT_TYPE))
* 以SRAMIN为例，MEM1_MAX_SIZE = (32 * 640) / (32 + 2) = 602.35KB ≈ 600KB
* 但是我们为了给其他全局变量 / 数组等预留内存空间, 这里设置最大管理为 520KB
*/
/* mem1内存参数设定.mem1是H563内部的SRAM. */
#define MEM1_BLOCK_SIZE 32 /* 内存块大小为32字节 */
#define MEM1_MAX_SIZE 520 * 1024 /* 最大管理内存 520K, H563VI内部SRAM总共640KB */
#define MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE /* 内存表大小 */
/* 如果没有定义NULL, 定义NULL */
#ifndef NULL
#define NULL 0
#endif
/* 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520KB，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：
static __ALIGNED(64) uint8_t mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; /* 内部SRAM内存池 */
/* 内存管理表 */
static MT_TYPE mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE]; /* 内部SRAM内存池MAP */
/* 内存管理参数 */
const uint32_t memtblsize[SRAMBANK] = {MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE};/* 内存表大小 */
const uint32_t memblksize[SRAMBANK] = {MEM1_BLOCK_SIZE}; /* 内存分块大小 */
const uint32_t memsize[SRAMBANK] = {MEM1_MAX_SIZE}; /* 内存总大小 */
/* 内存管理控制器 */
struct _m_mallco_dev mallco_dev =
{
my_mem_init, /* 内存初始化 */
my_mem_perused, /* 内存使用率 */
mem1base, /* 内存池 */
mem1mapbase, /* 内存管理状态表 */
0, /* 内存管理未就绪 */
};
我们通过内存管理控制器mallco_dev结构体，实现对内存池的管理控制。
内部SRAM内存池，定义为：
static __align(64) uint8_t mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; /* 内部SRAM内存池 */
STM32H562内部有3个连续的内存块（SRAM1/2/3），因此这里直接把它们放在一个内存池进行管理。
其中，__align(64)定义内存池为64字节对齐，以适应各种不同场合的需求。
下面介绍其它的malloc代码，具体如下：
/**
* @brief 复制内存
* @param *des : 目的地址
* @param *src : 源地址
* @param n : 需要复制的内存长度(字节为单位)
* @retval 无
*/
void my_mem_copy(void *des, void *src, uint32_t n)
{
uint8_t *xdes = des;
uint8_t *xsrc = src;
while (n--) *xdes++ = *xsrc++;
}
/**
* @brief 设置内存值
* @param *s : 内存首地址
* @param c : 要设置的值
* @param count : 需要设置的内存大小(字节为单位)
* @retval 无
*/
void my_mem_set(void *s, uint8_t c, uint32_t count)
{
uint8_t *xs = s;
while (count--) *xs++ = c;
}
/**
* @brief 内存管理初始化
* @param memx : 所属内存块
* @retval 无
*/
void my_mem_init(uint8_t memx)
{
/* 获取memmap数组的类型长度(uint16_t /uint32_t)*/
uint8_t mttsize = sizeof(MT_TYPE);
/* 内存状态表数据清零 */
my_mem_set(mallco_dev.memmap[memx], 0, memtblsize[memx] * mttsize);
/* 内存管理初始化OK */
mallco_dev.memrdy[memx] = 1;
}
/**
* @brief 获取内存使用率
* @param memx : 所属内存块
* @retval 使用率(扩大了10倍,0~1000,代表0.0%~100.0%)
*/
uint16_t my_mem_perused(uint8_t memx)
{
uint32_t used = 0;
uint32_t i;
for (i = 0; i < memtblsize[memx]; i++)
{
if (mallco_dev.memmap[memx][i]) used++;
}
return (used * 1000) / (memtblsize[memx]);
}
/**
* @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++;
/* 搜索整个内存控制区 */
for (offset = memtblsize[memx] - 1; offset >= 0; offset--)
{
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);
}
}
/**
* @brief 重新分配内存(外部调用)
* @param memx : 所属内存块
* @param *ptr : 旧内存首地址
* @param size : 要分配的内存大小(字节)
* @retval 新分配到的内存首地址.
*/
void *myrealloc(uint8_t memx, void *ptr, 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 */
{
my_mem_copy((void *)((uint32_t)mallco_dev.membase[memx] + offset),
ptr, size); /* 拷贝旧内存内容到新内存 */
myfree(memx, ptr); /* 释放旧内存 */
return (void *)((uint32_t)mallco_dev.membase[memx]
+ offset); /* 返回新内存首地址 */
}
}
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42.1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，其它函数我们就不多介绍了。
2. main.c代码
在main.c下编写如下代码：
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;
HAL_Init(); /* HAL库初始化 */
HAL_ICACHE_Enable(); /* 使能指令缓存 */
sys_stm32_clock_init(250, 4, 2, 2); /* 系统时钟初始化, 250Mhz */
delay_init(250); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化 */
usmart_dev.init(250); /* USMART初始化 */
led_init(); /* LED初始化 */
key_init(); /* 按键初始化 */
lcd_init(); /* LCD初始化 */
my_mem_init(SRAMIN); /* 内部SRAM内存池初始化 */
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", RED);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "KEY1: Write Data", RED);
lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "KEY_UP: Free", RED);
lcd_show_string(30, 170, 200, 16, 16, "SRAMIN USED:", BLUE);
while (1)
{
key = key_scan(0); /* 不支持连按 */
switch (key)
{
case KEY0_PRES: /* KEY0按下 */
p = mymalloc(SRAMIN, 2048); /* 申请2K字节 */
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, 230, 209, 16, 16, (char *)p, BLUE);
}
break;
case KEY1_PRES: /* KEY1按下 */
if (p != NULL)
{
/* 更新显示内容 */
sprintf((char *)p, "Memory Malloc Test%03d", i);
/* 显示P的内容 */
lcd_show_string(30, 230, 209, 16, 16, (char *)p, BLUE);
}
break;
case WKUP_PRES: /* KEY UP按下 */
myfree(SRAMIN, 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", (uint32_t)tp);
/* 显示p的地址 */
lcd_show_string(30, 210, 209, 16, 16, (char *)paddr, BLUE);
if (p)
{
/* 显示P的内容 */
lcd_show_string(30, 230, 280, 16, 16, (char *)p, BLUE);
}
else
{
lcd_fill(30, 230, 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, 170, 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。
42.4 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42.4.1所示：
图42.4.1 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。此时我们按下KEY0按键申请内存并写入数据，就可以看到LCD屏上显示申请了0.3%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，如图48.4.2所示：
图42.4.2 按下KEY0申请了部分内存
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，告诉请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。
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42.4.3所示：
图42.4.3 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：0x2007DE20，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(0, 0x2007DE20)，就可以释放我们申请到的内存。其它情况，大家可以自行测试并分析。
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