FreeRTOS 动态内存管理

本章节为大家讲解 FreeRTOS 动态内存管理,动态内存管理是 FreeRTOS 非常重要的一项功能,前面
章节讲解的任务创建、 信号量、 消息队列、 事件标志组、 互斥信号量、 软件定时器组等需要的 RAM 空间
都是通过动态内存管理从 FreeRTOSConfig.h 文件定义的 heap 空间中申请的。

动态内存管理介绍
FreeRTOS 支持 5 种动态内存管理方案,分别通过文件 heap_1,heap_2,heap_3,heap_4 和 heap_5
实现,这 5 个文件在 FreeRTOS 软件包中的路径是:FreeRTOS\Source\portable\MemMang。 用户创
建的 FreeRTOS 工程项目仅需要 5 种方式中的一种。
下面将这 5 种动态内存管理方式分别进行讲解。

动态内存管理方式一 heap_1
heap_1 动态内存管理方式是五种动态内存管理方式中最简单的,这种方式的动态内存管理一旦申请
了相应内存后,是不允许被释放的。 尽管如此,这种方式的动态内存管理还是满足大部分嵌入式应用的,
因为这种嵌入式应用在系统启动阶段就完成了任务创建、 事件标志组、 信号量、 消息队列等资源的创建,
而且这些资源是整个嵌入式应用过程中一直要使用的,所以也就不需要删除,即释放内存。 FreeRTOS 的
动态内存大小在 FreeRTOSConfig.h 文件中进行了定义:
#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) ) //单位字节
用户通过函数 xPortGetFreeHeapSize 就能获得 FreeRTOS 动态内存的剩余,进而可以根据剩余情况优化
动态内存的大小。 heap_1 方式的动态内存管理有以下特点:
? 项目应用不需要删除任务、 信号量、 消息队列等已经创建的资源。
? 具有时间确定性,即申请动态内存的时间是固定的并且不会产生内存碎片。

? 确切的说这是一种静态内存分配,因为申请的内存是不允许被释放掉的。
动态内存管理方式二 heap_2
与 heap_1 动态内存管理方式不同,heap_2 动态内存管理利用了最适应算法,并且支持内存释放。
但是 heap_2 不支持内存碎片整理,动态内存管理方式四 heap_4 支持内存碎片整理。 FreeRTOS 的动态
内存大小在 FreeRTOSConfig.h 文件中进行了定义:
#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) ) //单位字节
用户通过函数 xPortGetFreeHeapSize 就能获得 FreeRTOS 动态内存的剩余,但是不提供动态内存是
如何被分配成各个小内存块的信息。 另外,就是用户可以根据剩余情况优化动态内存的大小。 heap_2 方
式的动态内存管理有以下特点:
? 不考虑内存碎片的情况下,这种方式支持重复的任务、 信号量、 事件标志组、 软件定时器等内部资源
的创建和删除。
? 如果用户申请和释放的动态内存大小是随机的,不建议采用这种动态内存管理方式,比如:
? 项目应用中需要重复的创建和删除任务,如果每次创建需要动态内存大小相同,那么 heap_2 比
较适合,但每次创建需要动态内存大小不同,那么方式 heap_2 就不合适了,因为容易产生内存
碎片,内存碎片过多的话会导致无法申请出一个大的内存块出来,这种情况使用 heap_4 比较合
适。
? 项目应用中需要重复的创建和删除消息队列,也会出现类似上面的情况,这种情况下使用 heap_4
比较合适。
? 直接的调用函数 pvPortMalloc() 和 vPortFree()也容易出现内存碎片。 如果用户按一定顺序成
对的申请和释放,基本没有内存碎片的,而不按顺序的随机申请和释放容易产生内存碎片。
? 如果用户随机的创建和删除任务、 消息队列、 事件标志组、 信号量等内部资源也容易出现内存碎片。
? heap_2 方式实现的动态内存申请不具有时间确定性,但是比 C 库中的 malloc 函数效率要高。
大部分需要动态内存申请和释放的小型实时系统项目可以使用 heap_2。 如果需要内存碎片的回收机
制可以使用 heap_4。

动态内存管理方式三 heap_3
这种方式实现的动态内存管理是对编译器提供的 malloc 和 free 函数进行了封装,保证是线程安全的。
heap_3 方式的动态内存管理有以下特点:
? 需要编译器提供 malloc 和 free 函数。
? 不具有时间确定性,即申请动态内存的时间不是固定的。
? 增加 RTOS 内核的代码量。
另外要特别注意一点,这种方式的动态内存申请和释放不是用的 FreeRTOSConfig.h 文件中定义的

heap空间大小,而是用的编译器设置的heap空间大小或者说STM32启动代码中设置的heap空间大小,
比如 MDK 版本的 STM32F103 工程中 heap 大小就是在这里进行的定义:

动态内存管理方式四 heap_4
与 heap_2 动态内存管理方式不同,heap_4 动态内存管理利用了最适应算法,且支持内存碎片的回
收并将其整理为一个大的内存块。 FreeRTOS 的动态内存大小在 FreeRTOSConfig.h 文件中进行了定义:
#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) ) //单位字节
heap_4 同时支持将动态内存设置在指定的 RAM 空间位置。
用户通过函数 xPortGetFreeHeapSize 就能获得 FreeRTOS 动态内存的剩余,但是不提供动态内存是
如何被分配成各个小内存块的信息。 使用函数 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize 能够获取从系统启
动到当前时刻的动态内存最小剩余,从而用户就可以根据剩余情况优化动态内存的大小。 heap_4 方式的
动态内存管理有以下特点:
? 可以用于需要重复的创建和删任务、 信号量、 事件标志组、 软件定时器等内部资源的场合。
? 随机的调用 pvPortMalloc() 和 vPortFree(),且每次申请的大小都不同,也不会像 heap_2 那样产
生很多的内存碎片。
? 不具有时间确定性,即申请动态内存的时间不是确定的,但是比 C 库中的 malloc 函数要高效。
heap_4 比较实用,本教程配套的所有例子都是用的这种方式的动态内存管理,用户的代码也可以直
接调用函数 pvPortMalloc() 和 vPortFree()进行动态内存的申请和释放。

动态内存管理方式五 heap_5
有时候我们希望 FreeRTOSConfig.h 文件中定义的 heap 空间可以采用不连续的内存区,比如我们希

望可以将其定义在内部 SRAM 一部分,外部 SRAM 一部分,此时我们就可以采用 heap_5 动态内存管理
方式。另外,heap_5 动态内存管理是在 heap_4 的基础上实现的。
heap_5 动态内存管理是通过函数 vPortDefineHeapRegions 进行初始化的,也就是说用户在创建任
务 FreeRTOS 的内部资源前要优先级调用这个函数 vPortDefineHeapRegions,否则是无法通过函数
pvPortMalloc 申请到动态内存的。
函数 vPortDefineHeapRegions 定义不同段的内存空间采用了下面这种结构体:

定义的时候要注意两个问题,一个是内存段结束时要定义 NULL。另一个是内存段的地址是从低地址到高
地址排列。
用户通过函数 xPortGetFreeHeapSize 就能获得 FreeRTOS 动态内存的剩余,但是不提供动态内存是
如何被分配成各个小内存块的信息。 使用函数 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize 能够获取从系统启
动到当前时刻的动态内存最小剩余,从而用户就可以根据剩余情况优化动态内存的大小。

五种动态内存方式总结
五种动态内存管理方式简单总结如下,实际项目中,用户根据需要选择合适的:
? heap_1:五种方式里面最简单的,但是申请的内存不允许释放。
? heap_2:支持动态内存的申请和释放,但是不支持内存碎片的处理,并将其合并成一个大的内存块。
? heap_3:将编译器自带的 malloc 和 free 函数进行简单的封装,以支持线程安全,即支持多任务调
用。
? heap_4:支持动态内存的申请和释放,支持内存碎片处理,支持将动态内存设置在个固定的地址。
? heap_5:在 heap_4 的基础上支持将动态内存设置在不连续的区域上。

动态内存和静态内存比较
静态内存方式是从 FreeRTOS 的 V9.0.0 版本才开始有的,而我们本次教程使用的版本是 V8.2.3。所
以静态内存方式我们暂时不做讲解,等 FreeRTOS 教程版本升级时再做讲解。 关于静态内存方式和动态内
存方式的优缺点可以看官方的此贴说明:点击查看
(制作此教程的时候,官方的 FreeRTOS V9.0.0 正式版本还没有发布,所以采用的是当前最新的 V8.2.3)

动态内存 API 函数
动态内存的 API 函数在官方的在线版手册上面没有列出,其实使用也比较简单,类似 C 库的 malloc
和 free 函数,具体使用参看下面的实例说明。

实验练兵场:

时间: 2024-02-24 10:56:16

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