单片机实现动态内存管理

1.简介

        多数传统的单片机并没有动态内存管理功能。单片机通常具有有限的存储资源，包括固定大小的静态RAM（SRAM）用于数据存储和寄存器用于特定功能。这些资源在编译时被分配并且在程序的整个生命周期中保持不变。

2.动态内存管理好处

  1. 灵活性和效率：动态内存管理可以根据程序的需要，在运行时动态分配和释放内存空间。这种灵活性使得程序能够更高效地利用可用的内存资源，避免了静态分配固定大小内存的限制。

  2. 节省内存空间：动态内存管理允许程序只在需要时分配内存，释放不再使用的内存。这样可以避免静态内存分配导致的内存浪费，提高内存利用率。

  3. 支持动态数据结构：许多数据结构，如链表、树等，大小在运行时无法预先确定，需要动态分配内存以存储变量数量可变的元素。动态内存管理使得这些动态数据结构的实现变得简单和高效。

  4. 扩展性：使用动态内存管理，可以根据程序的需求动态地调整内存大小。这使得程序能够适应不同的输入规模和需求变化，提供更好的扩展性和灵活性。

3.如何自行实现动态内存管理 

3.1 步骤

  1. 分配内存空间：首先，需要实现一个分配内存空间的函数。该函数需要检查内存池中是否有足够的空闲内存。如果有空闲内存，则将其标记为已使用，并返回指向所分配内存块的指针。如果没有足够的空闲内存，则需要采取相应的策略，例如返回空指针或扩展内存池。

  2. 释放内存空间：当不再需要分配的内存块时，需要实现一个释放内存空间的函数。该函数需要接收指向待释放内存块的指针，并将其标记为空闲状态，以便后续的内存分配可以再次利用它。

  3. 管理内存池：需要设计和管理一个内存池，也称为内存堆。内存池是一个预先分配的内存区域，用于存储动态分配和释放的内存块。需要跟踪每个已分配内存块的状态（已使用或空闲），以及其大小和地址信息。

  4. 错误处理和边界检查：在实现动态内存管理时，必须考虑各种错误情况和边界条件。例如，分配失败、重复释放内存、越界访问等。需要在代码中加入相应的检查和错误处理机制，以确保内存管理的正确性和安全性。

 3.2方案

     1.增加外部SRAM或者DRAM,使用外部空间来作为动态内存管理，这种方法需要，编写外部SRAM的驱动，并将外部的SRAM地址映射到芯片地址中。

        例如以下驱动控制器：

        STM32系列微控制器的FSMC（Flexible Static Memory Controller）是一种专门设计用于连接外部存储器设备（如SRAM、NOR Flash等）的控制器。

        NXP LPC系列微控制器的EMC（External Memory Controller）来支持与外部存储器设备的数据交互可以连接多种类型的存储器，如SRAM、NOR Flash、SDRAM等。

        TM4C系列微控制器的嵌入式外部存储器接口（EMIFA），通过该接口可以连接外部存储器设备，并支持SRAM、NOR Flash、NAND Flash等多种存储器类型。

      2.使用内部SRAM的静态变量存储区来当作动态内存管理，这部分空间不允许再当静态空间来操作，这种方法无需依赖外部控制器，但是同时也无法管理更大的动态空间。

4.实现

        动态内存管理的本质就是对一段地址的管理。它涉及到在运行时动态分配和释放内存空间，并管理各个内存块的状态可用性。

4.1直接使用静态变量

#define MEM_MAX_SIZE 100*1024                       //100K
static unsigned char mem1base[MEM_MAX_SIZE];		//内部SRAM内存池

4.2使用外部SRAM地址需要映射

static unsigned char mem2base[MEM_MAX_SIZE] __attribute__((at(0XC0000000))); //外部SDRAM内存池

这里的地址0XC0000000只是示例 需要按照上文提到驱动控制器进行修改。

4.3 数据结构设计 

typedef struct _MemBlockList
{union {struct {unsigned int valid : 1;	  // 0 表示未使用 1表示使用了unsigned int length : 31; // 长度};int info; // 整体的信息（部分）};struct _MemBlockList *next; // 下一块
} MemBlockList;//共占用8个字节typedef struct _MemoryManager
{void *start;void *end;unsigned int size;MemBlockList *head;
} MemoryManager;static MemoryManager g_memoryManager;

MemBlockList用于管理一块连续的内存区域，并维护了一个内存块链表，用于跟踪空闲和已分配的内存块，MemoryManager用于表示内存管理器。通过使用这两个结构体，可以实现对一块连续内存的管理，包括内存块的分配和释放。g_memoryManager是一个全局的内存管理器变量，用于在程序中跟踪和管理内存块的分配和释放情况。

4.4 动态内存的初始化

bool memoryManagerInit(void)
{int size = MEM_MAX_SIZE;g_memoryManager.end = memXbase + size;g_memoryManager.start = memXbase;g_memoryManager.size = size;g_memoryManager.head = (MemBlockList *)g_memoryManager.start;g_memoryManager.head->length = g_memoryManager.size - sizeof(MemBlockList);g_memoryManager.head->valid = 0;g_memoryManager.head->next = NULL;	printf("memoryManagerInit success : %d KB\n", size / 1024);return true;
}

4.6 动态内存的申请

void *memoryManager_malloc(int size)
{int free_size = getMaxFreeBlockSize();if (free_size >= size){MemBlockList *ptr = g_memoryManager.head;MemBlockList *free_block = NULL;/* 指针对齐，保证了 currentSize 是指针 sizeof(void*) 的整数倍大小 */int n = size / sizeof(void*);int currentSize = n * sizeof(void*);if (size % sizeof(void*) != 0) {currentSize += sizeof(void*);}bool isNeedCut = false; //是否需要分割MemBlockList *node = getFreeBlock(currentSize, &isNeedCut); if (node == NULL){printf("malloc size = %d faile !!!!!\n", size);print_mem_info();return (void *)(NULL);}/* 标记内存块使用了 */node->valid = 1;unsigned char *p = (unsigned char *)node;if (isNeedCut){p += sizeof(MemBlockList) + currentSize;free_block = (MemBlockList *)(p);free_block->length = node->length - currentSize - sizeof(MemBlockList);free_block->valid = 0;free_block->next = node->next;node->next = free_block;node->length = currentSize;}p = (unsigned char *)node;p += sizeof(MemBlockList);//偏移8个字节为真正使用的malloc地址checkMem();print_mem_info();return (void *)(p);}return NULL;
}

  1. 首先，通过调用getMaxFreeBlockSize函数获取当前可用的最大内存块的大小，以判断是否能够满足请求的内存大小。

  2. 如果最大可用内存块的大小大于等于所需的内存大小size，则尝试分配内存。

  3. 通过getFreeBlock函数查找一个合适大小的空闲内存块node，并返回该内存块的指针。如果没有足够大的空闲内存块，则打印错误消息并返回NULL。

  4. 将找到的内存块node标记为已使用（valid = 1）。

  5. 计算实际分配的内存块大小currentSize，并判断是否需要对内存块进行分割。

  6. 如果需要进行分割，将原内存块的长度更新为currentSize，并在其后创建一个新的空闲内存块free_block，其长度为原内存块长度减去currentSize和sizeof(MemBlockList)的大小。

  7. 返回分配的内存块的起始地址，即node指针偏移sizeof(MemBlockList)字节后的地址。

4.7 动态内存的释放

void memoryManager_free(void *ptr)
{if (ptr != NULL){if ((ptr > g_memoryManager.start) && (ptr < g_memoryManager.end)){/* 计算地址对应的原始节点 */MemBlockList *source_node = (MemBlockList *)((unsigned char *)ptr - sizeof(MemBlockList));/* 找到node的前一个节点和下一个节点 */MemBlockList *previous_node = g_memoryManager.head;while (previous_node && previous_node->next != source_node){previous_node = previous_node->next;}MemBlockList *next_node = source_node->next;checkMem();source_node->valid = 0;MemBlockList *connect_node;if (previous_node && (previous_node->valid == 0))// 前一个节点是否空闲{connect_node = source_node->next;int size = source_node->length  + sizeof(MemBlockList);if (next_node && (next_node->valid == 0))// 下一个节点是否空闲{connect_node = next_node->next;size += next_node->length + sizeof(MemBlockList);}previous_node->next = connect_node;previous_node->length += size;}else{connect_node = source_node->next;int size =  source_node->length;if (next_node &&  (next_node->valid == 0)){ connect_node = next_node->next;size += next_node->length + sizeof(MemBlockList);}source_node->next = connect_node;source_node->length = size;}checkMem();}else{printf("memoryManager_free not allowd this address = %p(%p --- %p)\n", ptr, g_memoryManager.start,  g_memoryManager.end);}}
}

  1. 首先判断参数ptr是否为NULL，如果是NULL，则直接返回。

  2. 接下来，检查ptr指向的内存地址是否在内存管理器所管理的内存范围内（g_memoryManager.start到g_memoryManager.end之间）。如果不在范围内，则打印错误消息并返回。

  3. 计算ptr对应的原始内存节点source_node的地址，即ptr指针向前偏移sizeof(MemBlockList)字节。

  4. 遍历内存块链表，找到source_node的前一个节点previous_node和下一个节点next_node。

  5. 将source_node标记为未使用（valid = 0）。

  6. 根据前一个节点previous_node和下一个节点next_node的状态，进行内存块合并操作。

    • 如果前一个节点previous_node存在且为空闲（valid = 0），则将source_node与前一个节点连接，并将原来的内存长度包括前一个节点的长度进行合并。

    • 否则，将source_node单独作为一个内存块，且不与前一个节点连接。

  7. 最后，调用checkMem函数检查内存状态。

5. 实现代码总览

#ifndef NULL
#define NULL ((void *)0)
#endiftypedef struct _MemBlockList
{union {struct {unsigned int valid : 1;	  // 0 表示未使用 1表示使用了unsigned int length : 31; // 长度};int info; // 整体的信息（部分）};struct _MemBlockList *next; // 下一块
} MemBlockList;//共占用8个字节typedef struct _MemoryManager
{void *start;void *end;unsigned int size;MemBlockList *head;
} MemoryManager;static MemoryManager g_memoryManager;/* 获取当前内存中空闲的最大块大小 */
static unsigned int getMaxFreeBlockSize(void)
{MemBlockList *node = g_memoryManager.head;unsigned int size = 0;while (node){if(node->valid == 0){if (node->length > size){size = node->length;}}node = node->next;}return size;
}/* 获取当前内存中 满足size条件下 最小的内存块 */
static MemBlockList *getFreeBlock(unsigned int size, bool *isNeedCutMem)
{MemBlockList *current_node = g_memoryManager.head;MemBlockList *ret_node = NULL;unsigned int min_size = 0xffffffff;*isNeedCutMem = false;while (current_node){if (current_node->valid == 0 && current_node->length >= size) //块是否空闲{bool current_cut = false;if (current_node->length >= (size + sizeof(MemBlockList) + (sizeof(void *))))current_cut = true;if (current_node->length < min_size){min_size = current_node->length;*isNeedCutMem = current_cut;ret_node = current_node;if (min_size == size)break;}}current_node = current_node->next;}return ret_node;
}/* 打印当前的内存使用情况 */
void print_mem_info(void)
{MemBlockList *node = g_memoryManager.head;while (node){printf("address = %p, valid = %d, next = %p, size = %d\n", node, node->valid, node->next, node->length);node = node->next;}
}/* 内存检查 */
static void checkMem(void)
{MemBlockList *node = g_memoryManager.head;int size = 0;int cnt = 0;while (node){cnt ++;size += node->length;node = node->next;}if (size < (g_memoryManager.size - cnt * sizeof(MemBlockList))){printf("checkMem err now only have %d block, size = %d!!!\n", cnt, size);print_mem_info();while (1);}return;
}/* 内存操作检查 */
static bool checkMemUse(void *ptr, int size)
{if((ptr < g_memoryManager.start) || (ptr > g_memoryManager.end)){//不在管控范围内的地址不进行校验return true;}MemBlockList *node = g_memoryManager.head;unsigned char *current_p = NULL;while (node){int current_size = node->length;current_p = (unsigned char *)node + sizeof(MemBlockList);if ((ptr >= current_p) && (ptr < (current_p + current_size))){if (node->valid == 0){printf("checkMemUse this address = %p is not active !!\n", ptr);return false;}else{if(size > (node->length - ((unsigned char *)ptr - current_p))){printf("checkMemUse this address = %p size = %d, is size over, source address = %p, len = %d!!\n",ptr, size, current_p, node->length);return false;}}}node = node->next;}return true;
} bool memoryManagerInit(void)
{int size = MEM_MAX_SIZE;g_memoryManager.end = memXbase + size;g_memoryManager.start = memXbase;g_memoryManager.size = size;g_memoryManager.head = (MemBlockList *)g_memoryManager.start;g_memoryManager.head->length = g_memoryManager.size - sizeof(MemBlockList);g_memoryManager.head->valid = 0;g_memoryManager.head->next = NULL;	printf("memoryManagerInit success : %d KB\n", size / 1024);return true;
}void *memoryManager_malloc(int size)
{int free_size = getMaxFreeBlockSize();if (free_size >= size){MemBlockList *ptr = g_memoryManager.head;MemBlockList *free_block = NULL;/* 指针对齐，保证了 currentSize 是指针 sizeof(void*) 的整数倍大小 */int n = size / sizeof(void*);int currentSize = n * sizeof(void*);if (size % sizeof(void*) != 0) {currentSize += sizeof(void*);}bool isNeedCut = false; //是否需要分割MemBlockList *node = getFreeBlock(currentSize, &isNeedCut); if (node == NULL){printf("malloc size = %d faile !!!!!\n", size);print_mem_info();return (void *)(NULL);}/* 标记内存块使用了 */node->valid = 1;unsigned char *p = (unsigned char *)node;if (isNeedCut){p += sizeof(MemBlockList) + currentSize;free_block = (MemBlockList *)(p);free_block->length = node->length - currentSize - sizeof(MemBlockList);free_block->valid = 0;free_block->next = node->next;node->next = free_block;node->length = currentSize;}p = (unsigned char *)node;p += sizeof(MemBlockList);//偏移8个字节为真正使用的malloc地址checkMem();print_mem_info();return (void *)(p);}return NULL;
}void memoryManager_free(void *ptr)
{if (ptr != NULL){if ((ptr > g_memoryManager.start) && (ptr < g_memoryManager.end)){/* 计算地址对应的原始节点 */MemBlockList *source_node = (MemBlockList *)((unsigned char *)ptr - sizeof(MemBlockList));/* 找到node的前一个节点和下一个节点 */MemBlockList *previous_node = g_memoryManager.head;while (previous_node && previous_node->next != source_node){previous_node = previous_node->next;}MemBlockList *next_node = source_node->next;checkMem();source_node->valid = 0;MemBlockList *connect_node;if (previous_node && (previous_node->valid == 0))// 前一个节点是否空闲{connect_node = source_node->next;int size = source_node->length  + sizeof(MemBlockList);if (next_node && (next_node->valid == 0))// 下一个节点是否空闲{connect_node = next_node->next;size += next_node->length + sizeof(MemBlockList);}previous_node->next = connect_node;previous_node->length += size;}else{connect_node = source_node->next;int size =  source_node->length;if (next_node &&  (next_node->valid == 0)){ connect_node = next_node->next;size += next_node->length + sizeof(MemBlockList);}source_node->next = connect_node;source_node->length = size;}checkMem();}else{printf("memoryManager_free not allowd this address = %p(%p --- %p)\n", ptr, g_memoryManager.start,  g_memoryManager.end);}}
}void memoryManager_cpy(void *dest, const void *src, unsigned int n)
{if(checkMemUse(src, n) == false){printf("memoryManager_cpy error check src\n");}if(checkMemUse(dest, n) == false){printf("memoryManager_cpy error check dest\n");}for (unsigned int i = 0; i < n; i++) {dest[i] = src[i];}
}void memoryManager_set(void *ptr, unsigned char value, unsigned int num)
{if(checkMemUse(ptr, num) == false){printf("memoryManager_set error check ptr\n");}for (unsigned int i = 0; i < num; i++) {ptr[i] = value;}
}

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