【stm32f407】基于SRAM的内存管理

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aimejia 发布时间：2018-5-28 17:03

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一．内存管理原理
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，他们其实最终都是要实现2个函数：malloc和free；malloc函数用于内存申请，free函数用于内存释放。

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，如图所示：

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。

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。注意，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。

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。

主要是针对SRAM进行内存分配实验，如图：

针对途中红框内的两个SRAM进行分配

二．分配源码
Malloc.h

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#ifndef_MALLOC_H_H_H
#define_MALLOC_H_H_H
#include"stm32f4xx.h"
#ifndefNULL
#defineNULL 0
#endif
//定义三个内存池
#defineSRAMIN 0 //内部内存池
#defineSRAMCCM 1 //CCM内存池(此部分SRAM仅仅CPU可以访问!!!)
#defineSRAMBANK 2 //定义支持的SRAM块数.
//mem1内存参数设定.mem1完全处于内部SRAM里面.
#defineMEM1_BLOCK_SIZE 32 //内存块大小为32字节
#defineMEM1_MAX_SIZE 100*1024 //最大管理内存 100K
#defineMEM1_ALLOC_TABLE_SIZE MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE //内存表大小
//mem3内存参数设定.mem3处于CCM,用于管理CCM(特别注意,这部分SRAM,仅CPU可以访问!!)
#defineMEM3_BLOCK_SIZE 32 //内存块大小为32字节
#defineMEM3_MAX_SIZE 60*1024 //最大管理内存60K
#defineMEM3_ALLOC_TABLE_SIZE MEM3_MAX_SIZE/MEM3_BLOCK_SIZE //内存表大小
//内存管理控制器
struct_m_mallco_dev
{
void (*init)(u8); //初始化
u8 (*perused)(u8); //内存使用率
u8 *membase[SRAMBANK]; //内存池管理SRAMBANK个区域的内存
u16 *memmap[SRAMBANK]; //内存管理状态表
u8 memrdy[SRAMBANK]; //内存管理是否就绪
};
externstruct _m_mallco_dev mallco_dev; //在mallco.c里面定义
voidmymemset(void *s,u8 c,u32 count); //设置内存
voidmymemcpy(void *des,void *src,u32 n);//复制内存
voidmy_mem_init(u8 memx); //内存管理初始化函数(外/内部调用)
u32my_mem_malloc(u8 memx,u32 size); //内存分配(内部调用)
u8my_mem_free(u8 memx,u32 offset); //内存释放(内部调用)
u8my_mem_perused(u8 memx); //获得内存使用率(外/内部调用)
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//用户调用函数
voidmyfree(u8 memx,void *ptr); //内存释放(外部调用)
void*mymalloc(u8 memx,u32 size); //内存分配(外部调用)
void*myrealloc(u8 memx,void *ptr,u32 size);//重新分配内存(外部调用)
#endif

复制代码

Malloc.c

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#include"malloc.h"
#pragmapack(32)
//内存池(32字节对齐)
u8mem1base[MEM1_MAX_SIZE] @(0X20000000); //内部SRAM内存池
u8mem3base[MEM3_MAX_SIZE] @(0X10000000); //内部CCM内存池
#pragmapack()
//内存管理表
__no_initu16 mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE] @(0X20000000+MEM1_MAX_SIZE); //内部CCM内存池MAP; //内部SRAM内存池MAP
__no_initu16 mem3mapbase[MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE] @(0X10000000+MEM3_MAX_SIZE); //内部CCM内存池MAP
//内存管理参数
const u32memtblsize[SRAMBANK]={MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE,MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE}; //内存表大小
const u32memblksize[SRAMBANK]={MEM1_BLOCK_SIZE,MEM3_BLOCK_SIZE}; //内存分块大小
const u32memsize[SRAMBANK]={MEM1_MAX_SIZE,MEM3_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,mem3base, //内存池
mem1mapbase,mem3mapbase,//内存管理状态表
0,0, //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)
voidmymemcpy(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)
voidmymemset(void *s,u8 c,u32 count)
{
u8 *xs = s;
while(count--)*xs++=c;
}
//内存管理初始化
//memx:所属内存块
voidmy_mem_init(u8 memx)
{
mymemset(mallco_dev.memmap[memx],0,memtblsize[memx]*2);//内存状态表数据清零
mymemset(mallco_dev.membase[memx],0,memsize[memx]); //内存池所有数据清零
mallco_dev.memrdy[memx]=1; //内存管理初始化OK
}
//获取内存使用率
//memx:所属内存块
//返回值:使用率(0~100)
u8my_mem_perused(u8 memx)
{
u32 used=0;
u32 i;
for(i=0;i<memtblsize[memx];i++)
{
if(mallco_dev.memmap[memx][i])used++;
}
return (used*100)/(memtblsize[memx]);
}
//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
u32my_mem_malloc(u8 memx,u32 size)
{
signed long offset=0;
u32 nmemb; //需要的内存块数
u32 cmemb=0;//连续空内存块数
u32 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++;
for(offset=memtblsize[memx]-1;offset>=0;offset--)//搜索整个内存控制区
{
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
}
//释放内存(内部调用)
//memx:所属内存块
//offset:内存地址偏移
//返回值:0,释放成功;1,释放失败;
u8my_mem_free(u8 memx,u32 offset)
{
int i;
printf("offset %d,memsize%d\r\n",offset,memsize[memx]);
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.
}
//释放内存(外部调用)
//memx:所属内存块
//ptr:内存首地址
voidmyfree(u8 memx,void *ptr)
{
u32 offset;
if(ptr==NULL)
{
return;//地址为0.
}
offset=(u32)ptr-(u32)mallco_dev.membase[memx];
my_mem_free(memx,offset); //释放内存
}
//分配内存(外部调用)
//memx:所属内存块
//size:内存大小(字节)
//返回值:分配到的内存首地址.
void*mymalloc(u8 memx,u32 size)
{
u32 offset;
offset=my_mem_malloc(memx,size);
if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL;
else return(void*)((u32)mallco_dev.membase[memx]+offset);
}
//重新分配内存(外部调用)
//memx:所属内存块
//*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(u8 memx,void *ptr,u32 size)
{
u32 offset;
offset=my_mem_malloc(memx,size);
if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL;
else
{
mymemcpy((void*)((u32)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*)((u32)mallco_dev.membase[memx]+offset); //返回新内存首地址
}
}

复制代码

Main.c

[cpp] view plain copy
#include"led.h"
#include"key.h"
#include"delay.h"
#include"uart.h"
#include"exit.h"
#include"iwdog.h"
#include"pwm.h"
#include"can.h"
#include"flash.h"
#include"malloc.h"
#defineSRAM_IN 0
#defineSRAM_CCM_IN 1
intmain(void)
{
u8 *p=0;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2
My_USART2_Init();
printf("memory manager test\r\n");
my_mem_init(SRAMIN); //初始化内部内存池
my_mem_init(SRAMCCM); //初始化CCM内存池
p=mymalloc(SRAM_IN,1);//申请2K字节
if(p!=NULL)
{
mymemset(p,'d',1);
printf("p address %p\r\n",p);
myfree(SRAM_IN,p);
}
p=mymalloc(SRAM_CCM_IN,1);//申请2K字节
if(p!=NULL)
{
mymemset(p,'e',1);
printf("p address %p\r\n",p);
myfree(SRAM_CCM_IN,p);
}
}

复制代码

另外，此code是在IAR中编译，如果要移植到keil中，要修改几个地方：

#pragma pack(32)

u8mem1base[MEM1_MAX_SIZE] @(0X20000000);    //内部SRAM内存池

u8mem3base[MEM3_MAX_SIZE] @(0X10000000);             //内部CCM内存池

#pragma pack()

修改为：

__align(32) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; __attribute__((at(0X20000000)));                               //内部SRAM内存池

__align(32) u8 mem3base[MEM3_MAX_SIZE]__attribute__((at(0X10000000)));

主要有两点：内存对齐方式和变量的绝对地址

因为内存对齐方式是在C11中开始定义，所以在没用C11标准之前只能借助编译器来实现内存对齐方式。