LV16-28-Memory-01-内存管理基础

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本文主要是STM32开发——内存管理的一些基础知识相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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Windows windows11
Ubuntu Ubuntu16.04的64位版本
VMware® Workstation 16 Pro 16.2.3 build-19376536
SecureCRT Version 8.7.2 (x64 build 2214) - 正式版-2020年5月14日
开发板 正点原子 i.MX6ULL Linux阿尔法开发板
uboot NXP官方提供的uboot，NXP提供的版本为uboot-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga(使用的uboot版本为U-Boot 2016.03)
linux内核 linux-4.15(NXP官方提供)
STM32开发板 正点原子战舰V3(STM32F103ZET6)
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官方网站https://www.arm.com/ARM官方网站，在这里我们可以找到Cotex-Mx以及ARMVx的一些文档
https://www.st.com/content/st_com/zh.htmlST官方网站，在这里我们可以找到STM32的相关文档
https://www.stmcu.com.cn/意法半导体ST中文官方网站，在这里我们可以找到STM32的相关中文参考文档
http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.htmlFatFs文件系统官网
教程书籍《ARM Cortex-M3权威指南》ARM公司专家Joseph Yiu（姚文祥）的力作，中文翻译是NXP的宋岩
《ARM Cortex-M0权威指南》
《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》
开发论坛http://47.111.11.73/forum.php开源电子网，正点原子的资料下载及问题讨论论坛
https://www.firebbs.cn/forum.php国内Kinetis开发板-野火/秉火（刘火良）主持的论坛，现也做STM32和i.MX RT
https://www.amobbs.com/index.php阿莫（莫进明）主持的论坛，号称国内最早最火的电子论坛，以交流Atmel AVR系列单片机起家，现已拓展到嵌入式全平台，其STM32系列帖子有70W+。
http://download.100ask.net/index.html韦东山嵌入式资料中心，有些STM32和linux的相关资料也可以来这里找。
博客参考http://www.openedv.com/开源网-原子哥个人博客
http://blog.chinaaet.com/jihceng0622博主是原Freescale现NXP的现场应用工程师
cortex-m-resources这其实并不算是一个博客，这是ARM公司专家Joseph Yiu收集整理的所有对开发者有用的官方Cortex-M资料链接（也包含极少数外部资源链接）
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SD 2.0 协议标准完整版这是一篇关于SD卡2.0协议的中文文档，还是比较有参考价值的，可以一看

我们学习了使用 STM32F1 驱动外部 SRAM，以扩展 STM32F1 的内存，加上STM32F1 本身自带的 64K 字节内存，我们可供使用的内存还是比较多的。如果我们所用的内存都像上一节的 testsram 那样，定义一个数组来使用，显然不是一个好办法。后来在使用Flash做Bootloader实验的时候，就无法在原有工程中定义一个55KB的数组，然后 lcd做字模缩放的时候，数组也是预先定义好的，直接就16KB，再加上一些其他的，STM32内部Flash一共就64KB，直接被我占满，sct文件中定义了SRAM的长度，导致编译都无法通过，所以动态的去管理内存就很有必要了。

一、内存管理简介

1. 什么是内存管理

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。

2. 两个函数

我们不详细去挖malloc和free是如何申请和释放内存的，这里只学习函数的用法。

2.1 malloc()

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#include <stdlib.h>
extern _ARMABI void *malloc(size_t /*size*/);
   /*
    * allocates space for an object whose size is specified by 'size' and whose
    * value is indeterminate.
    * Returns: either a null pointer or a pointer to the allocated space.
    */

【函数说明】申请指定字节数的内存空间。

【函数参数】

  • size_t ：函数的声明中，只有形参类型，我们在keil中追踪这个类型，会发现它其实就是 unsigned int 类型，表示我们要申请的内存空间的字节数。

【注意事项】

（1）申请到的内存空间不会自动初始化，我们需要自己去初始化；

（2）函数返回值为void *类型，我们需要做强制类型转换，转换为我们需要的数据类型的指针类型。

2.2 free()

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#include <stdlib.h>
extern _ARMABI void free(void * /*ptr*/);
   /*
    * causes the space pointed to by ptr to be deallocated (i.e., made
    * available for further allocation). If ptr is a null pointer, no action
    * occurs. Otherwise, if ptr does not match a pointer earlier returned by
    * calloc, malloc or realloc or if the space has been deallocated by a call
    * to free or realloc, the behaviour is undefined.
    */

【函数说明】释放通过malloc申请的内存空间。

【函数参数】

  • void ：函数的声明中，只有形参类型，这是一个void *类型，表示要释放的内存空间的首地址。

【注意事项】

二、分布式内存管理

我们来学习一种比较简单的办法来实现：分块式内存管理。

1. 基本原理

image-20230515230445906

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。

内存分配方向：是从顶到底的分配方向。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，内存管理表全部清零，表示没有任何内存块被占用。

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。

3. 释放原理

当指针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。

三、函数设计

1. 内存管理控制结构体

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// 内存管理控制器
typedef struct __malloc_dev
{
    int8_t (*init)(uint8_t);       // 初始化
    uint8_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
    uint16_t *memmap[SRAMBANK];  // 内存管理状态表
    uint8_t memrdy[SRAMBANK];    // 内存管理是否就绪
}FUNC_MEM;

2. 其他函数

其他的那些函数这里就没必要写了，可以看这里：Hardware/func_mem.c · sumumm/STM32F103-Prj - 码云 - 开源中国 (gitee.com)和Hardware/func_mem.h · sumumm/STM32F103-Prj - 码云 - 开源中国 (gitee.com)