嵌入式操作系统内存管理机制及改进

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 1.1MB 66 页 15积分

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摘要

在以计算机技术、通讯技术相结合的信息时代的快速发展和互联网的广泛应

用的形势下，随着后PC时代的到来，3C(Computer、Communication、Consumer)

合一的趋势已经形成。在自动控制领域内，嵌入式软件必然成为重要成员，嵌入

式操作系统也将成为软件业的热点。嵌入式操作系统是嵌入式系统发展到一定阶

段的产物，是为了满足日益复杂的嵌入式系统设计的要求而产生的。随着微处理

器功能的不断提升，嵌入式操作系统的应用范围也变得越来越强大。对基于特定

嵌入式操作系统上的软件设计研究已成为了近年来的热点，并且对于嵌入式操作

系统在实际工程中的推广应用有着重要的意义。

本文首先介绍了嵌入式操作系统的产生、发展、特点、选型以及现今国外一

些有影响的嵌入式操作系统。接着论文重点分析了实时多任务嵌入式操作系统

μC/OS-II的系统内核结构，并详细分析了其任务管理、中断处理、时钟节拍和时间

管理、任务的同步与通信等基本功能如何实现。

简洁而高效的内存管理是操作系统理论及其设计实现中一个恒久的话题。操

作系统发展至今，从当初简单的前后台系统到如今复杂的多用户多任务环境，内

存管理的完善与否一直是评价一个操作系统好坏的重要标准。研究了μC/OS-II的内

存管理,发现当对一个申请到的内存块进行越界写操作或产生了指向空闲内存块指

针区(头几个字节)非法指针时可能会破坏它指向下一个空闲内存块的指针，这样，

空闲内存块链表就会被破坏。出于安全性要求，必须将控制信息与用户使用的空

闲内存块分开，内存块的控制信息属于系统数据，必须对其进行保护。利用μC/OS-II

的就绪表(Ready List) 中任务的调入和删除原理，构造一个内存管理表，实现内存

块的分配和释放。由此，μC/OS-II在内存管理中存在的安全性问题得到了解决。最

后，针对现有的工作，提出了一些需进一步研究探讨的任务。

关键词：嵌入式操作系统 μC/OS-II 内存管理内存分区内存块

ABSTRACT

With the development of computer technology and communication technology in

information era and the broad application of Internet ，it is clear that 3C(computer ，

communication and consumer)will converge in the near future. In automation control

field, embedded software will be one of the most important elements. In addition, the

real-time embedded operation system (RTOS) will get more attention. The embedded

operating system is the result of embedded system that developed to a certain level, and

it is generated to meet the design requirement of expanding complex embedded system.

With the development of micro-processor function, the application extent of embedded

operating system is getting stronger and stronger. The software design and research has

been the hotspot recently, which based on customizing embedded operating system, and

it will has great significance for the embedded operating system popularizing to actual

project.

First, this thesis introduces the birth, development, characteristic and selection of

embedded operating system, and then introduces several overseas influential embedded

operating systems now. Then the thesis emphatically analyses the kernel structure of the

real-time and multitasking embedded operating system μC/OS-II and analyses

concretely how μC/OS-II perform its basic function such as the management of task，

interruption, clock ticks and time management and the synchronization and

communication of task.

How to manage the memory tersely and efficiently is a lasting topic in the theory

and design of computer operating system(OS).As far as now, the OS have become an

administrator of a system which has multi-users and multi-tasks at the same time from a

simple fore-back ground software. In the process of OS development, whether the

memory management is perfect is always an import standard to verify an OS excellent

or terrible. By study the memory management of μC/OS-II, I find when the pointer

which point to the next free memory block and which stored in the free memory blocks’

first several bytes will be destroyed when an allocated memory block is written over the

edge of it by accidentally, or is pointed to its pointer area (the first several bytes) by the

illegal pointer, so the free memory block list will be destroyed. For safety, must extract

the control information from the free memory blocks, the memory control information

must be protected because it belongs to the system data. Then, apply the way of place

and remove a task in the task ready list of μC/OS-II, achieve allocating and releasing the

memory block by constructing a memory management list. From this, the safe problem

of μC/OS-II memory management is solved in the new method. Lastly aiming at the

work, put forward some task which need to be studied and discussed in the future.

Key word ：Embedded Operating System ，μC/OS-II ，memory

management ，memory partition ，memory block

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 课题研究的目的和意义 ...................................................................................... 1

§1.2 本领域国内外的动态及水平 .............................................................................. 3

§1.3 本文的研究工作 .................................................................................................. 4

第二章嵌入式操作系统 .................................................................................................5

§2.1 嵌入式操作系统简介 .......................................................................................... 5

§2.1.1 嵌入式操作系统定义 ....................................................................................5

§2.1.2 嵌入式操作系统的发展 ................................................................................6

§2.1.3 嵌入式操作系统的特点 ................................................................................7

§2.2 嵌入式操作系统的选型 ...................................................................................... 7

§2.3 常见的几种嵌入式操作系统 .............................................................................. 9

§2.3.1 VxWorks ......................................................................................................... 9

§2.3.2 Windows CE ................................................................................................... 9

§2.3.3 嵌入式 Linux ............................................................................................... 10

§2.3.4 μC/OS-II ........................................................................................................11

第三章 μC/OS-II 的内核结构 .......................................................................................12

§3.1 μC/OS-II 的体系结构分析 ................................................................................. 12

§3.2 μC/OS-II 的内核分析 ......................................................................................... 13

§3.2.1 临界区的处理机制 ......................................................................................13

§3.2.2 任务管理 ......................................................................................................14

§3.2.3 μC/OS-II 的中断处理 ...................................................................................20

§3.2.4 μC/OS-II 的时钟节拍和时间管理 ...............................................................22

§3.2.5 μC/OS-II 任务的同步与通信 .......................................................................25

§3.2.6 μC/OS-II 的初始化和启动 ...........................................................................33

§3.3 本章小结 ............................................................................................................ 36

第四章 μC/OS-II 的内存管理机制分析 .......................................................................38

§4.1 内存控制块 ........................................................................................................ 38

§4.2 建立一个内存分区，OSMemCreate() ............................................................. 40

§4.3 分配一个内存块，OSMemGet() ...................................................................... 42

§4.4 释放一个内存块，OSMemPut() .......................................................................43

§4.5 查询一个内存分区的状态，OSMemQuery() ..................................................44

§4.6 本章小结 ............................................................................................................ 45

第五章 μC/OS-II 内存管理的改进及实现 ...................................................................46

§5.1 μC/OS-II 中内存管理存在的问题 ..................................................................... 46

§5.2 μC/OS-II 内存管理改进的基本方案 ................................................................. 47

§5.3 μC/OS-II 内存管理改进的实现 ......................................................................... 49

§5.4 本章小结 ............................................................................................................ 56

第六章总结和展望 .......................................................................................................57

§6.1 总结 .................................................................................................................... 57

§6.2 本文下一步工作和展望 .................................................................................... 58

参考文献 .........................................................................................................................59

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................62

致谢 ...............................................................................................................................63

第一章绪论

随着信息技术的飞速发展，特别是互联网的普及，微电子技术的突破，嵌入

式系统在各行各业的应用程度达到了前所未有的状况。嵌入式系统已经广泛地渗

透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常

生活等方方面面中。随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技

术越来越和人们的生活紧密结合[1]。据美国嵌入式系统专业杂志 RTC 报道，21 世

纪初的十年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比 PC 市场大 10 至100 倍的商机。

在芝加哥举办的嵌入式系统会议上，专家一致认为，21 世纪嵌入式系统将无所不

在，为人类生产带来革命性的发展。除了良好的硬件平台外，一个优秀稳定的嵌

入式操作系统越来越被业界所重视，在很多应用中，特别是航空，航天，军事等

高科技领域正起着举足轻重的作用。2004 年年初，成功登陆火星的美国“勇气号”

上装载了 VxWorks 实时操作系统[2]，“勇气号”从升空到着陆，以及火星巡游，都

是在该系统的指引下完成的。故而，发展强有力的嵌入式操作系统（Embedded

Real-Time Operating System，ERTOS），成了嵌入式系统发展的核心部分[2]。世界

各国在这一领域展开了激烈的竞争，许多著名高等学府如加州大学等都在嵌入式

操作系统的研究上投入了大量的人力物力。

§1.1 课题研究的目的和意义

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适

用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序

等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能[3]。

嵌入式系统没有统一的架构，软硬件的组合多样，技术密集，市场容量大，

有较大的创新空间。但由于在大多数应用场合对设备本身的体积有所限制，硬件

资源部可能像主机系统那样丰富，所以系统内核既要精简，又要保证功能完成的

实时性和稳定性[4]。因此，设计和实现高效可靠的内核管理模块，如内存管理，多

任务环境管理等是保证嵌入式操作系统快速发展的关键技术之一。

作为嵌入式系统（包括硬、软件系统）极为重要的组成部分的嵌入式操作系

统，在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用

中显得愈来愈重要，而且嵌入式操作系统大部分是嵌入式实时操作系统。

嵌入式操作系统μC/OS-II 内存管理机制及改进

在嵌入式系统中使用嵌入式实时操作系统是非常必要的。首先，嵌人式实时

操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方面的考虑，要求系统

起码不能崩溃，而且还要有自愈能力。不仅要求在硬件设计方面提高系统的可靠

性和抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能地减少安

全漏洞和不可靠的隐患。其次，提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实

时操作系统环境下，开发一个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解耦

原则将整个程序分解为多个任务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其

他模块。商业软件一般都提供了良好的多任务调试环境。再次，嵌入式实时操作

系统充分发挥了 32 位CPU 的多任务潜力。32 位CPU 比8、16 位CPU 快，另外

它本来是为运行多用户、多任务操作系统而设计的，特别适于运行多任务实时系

统。32 位CPU 采用利于提高系统可靠性和稳定性的设计，使其更容易做到不崩溃。

内存管理是操作系统的中心任务之一，内存管理模块通常是操作系统内核的

一部分。其主要任务是组织内存以容纳内核和各待执行进程，跟踪当前内存使用

状况，在需要时为进程分配内存，其使用完毕后释放并回收内存。内存管理与操

作系统和底层硬件体系结构密切相关，不同平台上的内存管理策略往往大不相同。

较之普通桌面型操作系统，嵌入式操作系统中的内存管理有其独特之处：嵌入式

系统受成本、设备体积和电池技术等因素制约，内存容量一般相当有限，需要高

效地使用；嵌入式系统一般都具有实时需求，至少是软实时的，内存分配、回收

必须迅速，时间应可预测；很多嵌入式系统事关重大，必须安全地运行，为避免

灾难性后果，内存管理必须十分可靠。早期的嵌入式系统主要实现一些控制功能，

使用一个简单的无限循环和中断功能对外界的信息进行处理，根据处理结果发出

控制信号。现在嵌入式系统的应用越来越广泛，功能也越来越复杂，从而内存管

理机制成为嵌入式系统研究中的一个重点和难点课题，它必须满足实时、高效、

高可靠性的要求。

μC/OS-II 是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用

于8位，16 位和 32 位单片机或数字信号处理器（DSP）。它是在原版本μC/OS 的

基础上做了重大改进与升级，并有了近十年的使用实践，有许多成功应用该实时

内核的实例。μC/OS-II 提供了用于共享资源管理的信号灯，用于进程通信的消息

队列和邮箱，还提供了存储器管理机制，是一个比较全面的系统。作者在分析使

用中发现，μC/OS-II 内核在任务管理（包括任务调度、任务间的通信与同步）和

中断管理上是比较完善的，具有可以接受的稳定性和可靠性；但在内存管理上显

得过于简单，内存分区的建立方式有不合理之处。μC/OS-II 是通过指针把内存分

区中空闲内存块进行链接的，但是当不小心对一个申请到的内存块进行越界写操

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摘要在以计算机技术、通讯技术相结合的信息时代的快速发展和互联网的广泛应用的形势下，随着后PC时代的到来，3C(Computer、Communication、Consumer)合一的趋势已经形成。在自动控制领域内，嵌入式软件必然成为重要成员，嵌入式操作系统也将成为软件业的热点。嵌入式操作系统是嵌入式系统发展到一定阶段的产物，是为了满足日益复杂的嵌入式系统设计的要求而产生的。随着微处理器功能的不断提升，嵌入式操作系统的应用范围也变得越来越强大。对基于特定嵌入式操作系统上的软件设计研究已成为了近年来的热点，并且对于嵌入式操作系统在实际工程中的推广应用有着重要的意义。本文首先介绍了嵌入式操作系统的产生...

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