試論嵌入式系統內存管理

史桂紅

（健雄職業技術學院，江蘇 太倉 215411）

1 嵌入式系統

嵌入式系統是指以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可剪裁，適應應用系統。對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。它主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶應用軟件的部分組成。用于實現對其他設備的控制、監視和管理等功能，它通常嵌入在主要設備中運行。

2 嵌入式系統對內存分配的要求

嵌入式系統在開發和應用的過程中，由于自身的科技含量比較高，都受到了相應的限制條件。由于其本身是一種在資源上會受到限制的系統，所以這種系統的應用相對于其他的系統來說，對于在內存上的使用標準要相對嚴格一些。在資源和成本上的受限，使得對于這種系統的開發在研究的時候，程序開發人員就要付出一定的精力，考慮到系統在使用的時候對于內存的分配和使用上要做出合理的安排。由此可知，對于這種系統的開發和應用，在對內存的管理上一直都是一個難題，它和別的比較常用的系統還有著不同。那么從大體上來看，嵌入式系統在研發時主要需要考慮到以下三方面的要求：

第一，實時性。要保證嵌入式系統的實時性，則要求盡可能快速的分配內存。

第二，可靠性。它是嵌入式系統內存管理機制的基本要求。

第三，高效性。嵌入式系統中內存是一種有限并且昂貴的資源。故內存分配要盡可能的減少浪費。

3 內存分配方式

嵌入式系統中內存管理方案大致可以分為兩大類:靜態分配和動態分配。

靜態分配的可用內存大小在編譯或鏈接時確定，系統初始化階段預先分配好固定數量的內存，用于存放所有需要使用的對象和數據結構。程序運行時能且只能使用這些內存空間。采用這種分配方案的程序段，其大小一般在編譯時就能確定。

動態分配的內存在程序運行時根據需要向系統申請后獲得，只有在需要的時候，才分配或釋放。

4 內存管理策略

4.1 簡單內存管理模型

在設計之初，最簡單直接的一種技術其實就是"不管理"，即所有靜態分配在棧中、動態分配在堆中的變量和數據結構，這二者的分配、釋放，全交給編譯器、鏈接器和運行時庫去完成，設計者只需合理設置系統棧、堆和任務棧。

4.2 靜態內存分配方式

在大多數情況下，靜態分配普遍適應于嵌入式系統，因為在操作的過程中，有些程序段的應用和狀態基本上都是固定不變的，所以適應性比較強。

在執行程序之前，靜態內存實質上就已經進行了，有著比較高的運行效率；對于內存在需求上的狀況，在對其進行編譯的時候就能夠進行準確的計算；對于在內存的分配上，所應用的時間是比較短的，并且這些動作基本上都是固定不變的；對于已經分配完成的內存，一般情況下，是不進行歸還的，而且很少有碎片；對于程序進行的測試也是比較容易的，并且有著很高的可靠性。以上這些優點使得靜態內存的分配在很多標準要求比較高的系統中都能夠使用，如果一些系統的要求特變高，對于在使用中，一定不能夠出現延時或者是失敗的分配現象產生的話，那么靜態內存分配模式就可以很好的滿足這些條件，在開始對其進行編譯的時候，就可以將這些需要的內存進行分配。

4.3 動態內存分配方式

對于靜態內存分配來講，主要注重的方面是效率和安全方面，而對于動態內存分配來說則比較注重于靈活性的掌握。在進行動態的內存分配模式下，對于內存空間的要求，程序是在目標的模塊在進行鏈接之前就已經分配完成的，在程序進行工作的過程當中，是允許繼續附加一定的內存或者是在內存的空間上進行移動工作的，也就是說對內存進行分配的工作不一定是要在程序運行之前就要完成的，在程序運行期間也是可以逐步的進行分配的。這種做法在一定程度上減少了浪費的情況，使得很多不被使用的內存不進行分配，對于內存的總體需求降低了要求；對于設計的質量來講有了很大的提高，使系統在進行編寫的時候將更加的簡單容易；在程序運行的過程中對內存進行分配，這樣就在系統進行啟動的時候減少了運行的時間。

在對動態內存進行分配的時候，程序員在對程序進行編寫的過程中，可以全身心的將精力放在對于程序的設計上，而不需要對內存的分配問題傾注過多的精力。在程序和硬件系統之間關聯性不是特別高的時候，那么對于程序在進行移植方面就有了很大的便利，比如有一些系統不是單純的為了嵌入式系統而設計的，那么也可以將其很容易的移植到嵌入式系統當中。如入說，在嵌入式系統應用的條件下，對于網絡協議棧在一定的平臺使用下，為了達到一定的條件，能夠在使用系統的時候更加的靈活，在使用系統的時候，使得其中的每一個功能之間都能夠進行平衡的選擇，那么這個系統就必須可以適應對于動態內存的分配。

4.3.1 內存碎片

內存碎片是動態分配，尤其是直接在系統堆中分配的不分區方式的主要問題。在嵌入式實時操作系統中，多次的分配和釋放內存，會把原來很大的一塊連續內存區域逐漸分割成許多小而且互不相鄰的內存區域，也就是內存碎片。內存碎片主要有兩種：一種是數據結構未用完它所分配到的內存塊所產生的"內部碎片"；另一種是兩個已分配數據塊之間的內存由于太小而無法用于存儲任何東西造成的“外部碎片”。

4.3.2 內存丟失

內存丟失是一塊已經分配但永遠不會被釋放的內存區，是應用程序所造成的缺陷。嵌入式系統要長時間運行，就要確保絕對沒有內存丟失。內存塊使用完后，特定的塊必須重新放回它以前所屬的分區，否則可能造成內存丟失。

結語

科學技術的發展在不斷的進行更新，為了適應發展快速的科技信息，在對于系統進行開發的時候，就要傾注更多的精力，使其在功能上能夠滿足日益發展的網絡需求。那么針對嵌入式系統的開發，在實際的應用過程中，涉及到對于內存的管理方面的問題，這將關系到嵌入式系統對于軟件運行的效率和質量問題。所以程序的設計人員要擁有很豐富的專業知識，在思想理念上能夠跟得上國際的最新趨勢，使得系統在使用的過程中可以為我國的信息產業創造出更大的成就，為我國網絡信息業的發展創造有利的環境。

[1]J.Labrosse邵貝貝，等譯.嵌入式實時操作系統μC/OS-II[M].北京航空航天大學出版社，2003.

[2]夏瑋瑋，沈連豐.嵌入式系統關鍵技術分析與開發應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2003.