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 引 言

       內存管理機制是嵌入式系統研究中的一個重點和難點的問題，它必須滿足以下幾個特性：

       ①實時性。從實時性的角度出發，要求內存分配過程要盡可能地快。因此，在嵌入式系統中，不可能采用通用操作系統的一些復雜而完善的內存分配策略，一般沒有段頁式的虛存管理機制；而是采用簡單、快速的內存分配方案，其分配方案也因程序對實時性的要求而異。例如，VxWorks系統采用簡單的“首次適應，立即聚合”方法；VRTX中采用多個固定尺寸存儲塊的binning方案。

       ②可靠性。嵌入式系統應用的環境千變萬化，在有些特定情況下，對系統的可靠性要求極高，內存分配的請求必須得到滿足，如果分配失敗則可能會帶來災難性的后果。比如，飛機的燃油檢測系統。在飛機飛行過程中，如果燃料發生泄漏，系統應該立即檢測到，并發出相應的警報等待飛行員及時處理。如果因為內存分配失敗而不能相應地操作，就可能發生機毀人亡的事故。

       ③高效性。內存分配要盡可能地減少浪費。不可能為了保證滿足所有的內存分配請求而將內存配置得很大。一方面，嵌入式系統對成本的要求使得內存在其中只是一種很有限的資源；另一方面，即使不考慮成本的因素，系統硬件環境有限的空間和有限的板面積決定了可配置的內存容量是很有限的。

       針對以上三個約束條件，市場上主流的嵌入式操作系統，如VxWorks、嵌入式Linux等均提出了一套有效的解決方案；但是，這些系統只提供了應用開發的接口，其底層的實現方案不可見。本文以開源的嵌入式操作系統RTEMS為例，分析了嵌入式系統內存管理所面臨的問題，研究了其底層實現的解決方案。一般的嵌入式系統中最基本的內存管理方案有兩種——靜態分配和動態分配。

1、靜態分配與動態分配

        靜態分配是指在編譯或鏈接時將程序所需的內存空間分配好。采用這種分配方案的程序段，其大小一般在編譯時就能夠確定；而動態分配是指系統運行時根據需要動態地分配內存。這兩種策略的選取一直是嵌入式系統設計中一個令人頭痛的問題。

        一般的嵌入式系統都支持靜態分配，因為像中斷向量表、操作系統映像這類的程序段，其程序大小在編譯和鏈接時是可以確定的。而是否支持動態分配主要基于兩個方面的考慮：首先是實時性和可靠性的要求，其次是成本的要求。對于實時性和可靠性要求極高的系統（硬實時系統），不允許延時或者分配失效，必須采用靜態內存分配，如航天器上的嵌入式系統多采用靜態內存分配。除了基于成本的考慮外，用于汽車電子和工業自動化領域的一些系統也沒有動態內存分配，比如WindRiver著名的OSEKWorks系統。然而，僅僅采用靜態分配，使系統失去了靈活性。必須在設計階段就預先知道所需要的內存并對之作出分配；必須在設計階段就預先考慮到所有可能的情況，因為一旦出現沒有考慮到的情況，正在運行的系統就無法處理。這樣的分配方案必然導致很大的浪費。因為內存分配必須按照最壞情況進行最大的配置，而實際運行時很可能只使用其中的一小部分；而且在硬件平臺不變的情況下，不可能靈活地為系統添加功能，從而使得系統的升級變得困難。

        雖然動態內存分配會導致響應和執行時間不確定、內存碎片等問題，但是它的實現機制靈活，給程序實現帶來極大的方便，有的應用環境中動態內存分配甚至最必不可少的。比如，嵌入式系統中使用的網絡協議棧，在特定的平臺下，為了比較靈活地調整系統的功能，在系統中各個功能之間作出權衡，必須支持動態內存分配。例如，為了使系統能夠及時地在支持的VLAN數和支持的路由條目數之間作出調整，或者為了使不同的版本支持不同的協議，類似于malloc和free這類的函數是必不可少的。