（44）STM32——内存管理实验
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学习目标
本节我们要来学习的是内存管理实验，主要用来解决的问题其实和C语言中数组遇到的问题类似，就是我们不知道到底需要多少内存，为了避免数组越界，我们只能定义一个很大的数组，但是在单片机这种“寸土寸金”的地方就很不现实了，所以我们必须引入C语言中的内存管理函数malloc和free了。
原理
我们采用的原理是分块式内存管理，主要就是通过内存管理表来得知哪些内存是空的，我们可以去占用，哪些内存已经用完了，需要被释放。具体内容如下所示：
从上图可以看出，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为：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。 内存分配方向如图所示，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，内存表全部清零，表示没有任何内存块被占用。
分配
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。
释放
当 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。
代码
内存管理控制器
//内存管理控制器
struct _m_mallco_dev
{
void (*init)(u8); //初始化
u8 (*perused)(u8); //内存使用率
u8 *membase[SRAMBANK]; //SRAMBANK定义管理的内存片数
//内存池 管理SRAMBANK个区域的内存,
u16 *memmap[SRAMBANK]; //内存管理状态表
u8 memrdy[SRAMBANK]; //内存管理是否就绪
};
extern struct _m_mallco_dev mallco_dev;//在mallco.c里面定义- init，函数指针，指向内存初始化函数，用于初始化内存管理，带一个参数，表示要初始化的内存片。
- perused，函数指针，指向内存使用率函数，用于获取内存使用率，，带一个参数，表示要获取内存使用率的内存片。
- membase，内存池指针，指向内存池。最多有SRAMBANK个内存池。
- memmap，内存管理表指针，指向内存管理表。最多有SRAMBANK个内存管理表。该指针为16位类型，因此，最大可以分配65535*内存块这么大的内存区域。 假定内存块大小为32字节，那么一次性最大可以申请的内存就是2M-32字节。
- memrdy，内存管理表就绪标志，用于表示内存管理表是否已经初始化（清零）。最多有 SRAMBANK个内存管理表就绪标志。
内存管理宏定义
#define SRAMIN 0 //内部内存池
#define SRAMEX 1 //外部内存池
#define SRAMCCM 2 //CCM内存池(此部分SRAM仅仅CPU可以访问!!!)
#define SRAMBANK 3 //定义支持的SRAM块数.
//mem1内存参数设定.mem1完全处于内部SRAM里面.
#define MEM1_BLOCK_SIZE 32 //内存块大小为32字节
#define MEM1_MAX_SIZE 100*1024 //最大管理内存 100K
#define MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE //内存表大小
//mem2内存参数设定.mem2的内存池处于外部SRAM里面
#define MEM2_BLOCK_SIZE 32 //内存块大小为32字节
#define MEM2_MAX_SIZE 960 *1024 //最大管理内存960K
#define MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE MEM2_MAX_SIZE/MEM2_BLOCK_SIZE //内存表大小
//mem3内存参数设定.mem3处于CCM,用于管理CCM(特别注意,这部分SRAM,仅CPU可以访问!!)
#define MEM3_BLOCK_SIZE 32 //内存块大小为32字节
#define MEM3_MAX_SIZE 60 *1024 //最大管理内存60K
#define MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE MEM3_MAX_SIZE/MEM3_BLOCK_SIZE //内存表大小探索者开发板外扩了SRAM，同时片内有SRAM和CCM之分，所以有3片内存区域，MEM1表示内部SRAM内存池（128K字节），MEM2表示外扩内存池（1024K字节）。MEM3表示内部CCM内存池（64K字节）。
内存管理数组
//内存池(32字节对齐)，__align(32)是32位对齐的意思
__align(32) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE];
//内部SRAM内存池，__attribute__，是指定内存地址的意思
__align(32) u8 mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X68000000)));
//外部SRAM内存池
__align(32) u8 mem3base[MEM3_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X10000000)));
//内部CCM内存池
//内存管理表
u16 mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE];
//内部SRAM内存池MAP
u16 mem2mapbase[MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(0X68000000+MEM2_MAX_SIZE))); //外部SRAM内存池MAP
u16 mem3mapbase[MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(0X10000000+MEM3_MAX_SIZE))); //内部CCM内存池MAP
//内存管理参数
const u32 memtblsize[SRAMBANK]={MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE,MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE,MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE}; //内存表大小
const u32 memblksize[SRAMBANK]={MEM1_BLOCK_SIZE,MEM2_BLOCK_SIZE,MEM3_BLOCK_SIZE}; //内存分块大小
const u32 memsize[SRAMBANK]={MEM1_MAX_SIZE,MEM2_MAX_SIZE,MEM3_MAX_SIZE};
//内存总大小- mem1base：内部SRAM内存池。u8类型，32字节对齐。
- mem2base：外部SRAM内存池。u8类型，32字节对齐。
- mem3base：内部CCM内存池。u8类型，32字节对齐。
- mem1mapbase：内部SRAM内存管理表。u16类型。
- mem2mapbase：外部SRAM内存管理表。u16类型。
- mem3mapbase：内部CCM内存管理表。u16类型。
- memtblsize：内存表大小。
- memblksize：内存分块大小。
- memsize：内存总大小。
// main.c
int main(void)
{
u8 key;
u8 i=0;
u8 *p=0;
u8 *tp=0;
u8 paddr[18]; //存放P Addr:+p地址的ASCII值
u8 sramx=0; //默认为内部sram
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2
delay_init(168); //初始化延时函数
uart_init(115200); //初始化串口波特率为115200
LED_Init(); //初始化LED
LCD_Init(); //LCD初始化
KEY_Init(); //按键初始化
FSMC_SRAM_Init(); //初始化外部SRAM
my_mem_init(SRAMIN); //初始化内部内存池
my_mem_init(SRAMEX); //初始化外部内存池
my_mem_init(SRAMCCM); //初始化CCM内存池
POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer STM32F4");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"MALLOC TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"KEY0:Malloc KEY2:Free");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"KEY_UP:SRAMx KEY1:Read");
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"SRAMIN");
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"SRAMIN USED: %");
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SRAMEX USED: %");
LCD_ShowString(30,190,200,16,16,"SRAMCCM USED: %");
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);//不支持连按
switch(key)
{
case 0://没有按键按下
break;
case KEY0_PRES: //KEY0按下
p=mymalloc(sramx,2048);//申请2K字节
if(p!=NULL)sprintf((char*)p,"Memory Malloc Test%03d",i);//向p写入一些内容
break;
case KEY1_PRES: //KEY1按下
if(p!=NULL)
{
sprintf((char*)p,"Memory Malloc Test%03d",i);//更新显示内容
LCD_ShowString(30,270,200,16,16,p); //显示P的内容
}
break;
case KEY2_PRES: //KEY2按下
myfree(sramx,p);//释放内存
p=0; //指向空地址
break;
case WKUP_PRES: //KEY UP按下
sramx++;
if(sramx>2)sramx=0;
if(sramx==0)LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SRAMIN ");
else if(sramx==1)LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SRAMEX ");
else LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SRAMCCM");
break;
}
if(tp!=p)
{
tp=p;
sprintf((char*)paddr,"P Addr:0X%08X",(u32)tp);
LCD_ShowString(30,250,200,16,16,paddr); //显示p的地址
if(p)LCD_ShowString(30,270,200,16,16,p);//显示P的内容
else LCD_Fill(30,270,239,266,WHITE); //p=0,清除显示
}
delay_ms(10);
i++;
if((i%20)==0)//DS0闪烁.
{
LCD_ShowNum(30+104,150,my_mem_perused(SRAMIN),3,16);//显示内部内存使用率
LCD_ShowNum(30+104,170,my_mem_perused(SRAMEX),3,16);//显示外部内存使用率
LCD_ShowNum(30+104,190,my_mem_perused(SRAMCCM),3,16);//显示CCM内存使用率
LED0=!LED0;
}
}
}如果对一个指针进行多次内存申请，而之前的申请又没释放，那么将造成“内存泄露”，这是内存管理所不希望发生的，久而久之，可能导致无内存可用的情况！所以，在使用的时候，一定记得，申请的内存在用完以后，一定要释放。
总结
内存管理在单片机里面属于十分重要的内容，在面对内存空间不足的时候更是如此，所以对这部分内容还是得多加使用。
腾讯云开发者
