FreeRTOS在ARM Cortex-M3架构的32位单片机中的内存管理详解

tsistbasit

已于 2025-01-03 20:22:46 修改

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文章标签：单片机架构嵌入式硬件 arm开发 stm32 mcu

于 2025-01-03 20:06:34 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/tsistbasit/article/details/144917042

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以下探讨源自我在学习FreeRTOS在ARM Cortex-M3下部署时遇到的内存管理问题。在我查阅许多资料后总结出了一些观点，希望这些观点可以帮助刚接触嵌入式操作系统的朋友，让大家对内存管理方面有一个比较直观的认识。

嵌入式系统开发中，内存管理是一个至关重要的环节。对于使用ARM Cortex-M3架构的32位单片机（如GD32F103RCT6）来说，理解FreeRTOS的内存管理机制不仅能提升系统的稳定性，还能优化资源利用率。本文将深入解析FreeRTOS在Cortex-M3单片机中的内存管理，帮助新人快速、直观地掌握整体概况。

引言

在ARM Cortex-M3架构的32位单片机中，内存资源有限，如何高效管理这有限的资源是开发者需要解决的关键问题。FreeRTOS作为广泛使用的实时操作系统，提供了多种内存管理策略，适用于不同的应用场景。本文将结合实际代码，详细讲解FreeRTOS在Cortex-M3单片机中的内存管理方式，帮助开发者建立清晰的内存管理概念。

嵌入式系统的内存架构

在典型的嵌入式系统中，内存主要分为两大类：

Flash（程序存储器）：
- 存储程序代码、常量数据和中断向量表。
- 非易失性存储，电源断电后数据依然保留。
SRAM（数据存储器）：
- 存储动态分配的数据、堆、栈和静态变量。
- 易失性存储，电源断电后数据丢失。

内存布局示意图

|      High Address       |
+-------------------------+
|         Flash           | 
|      程序代码 (.text)   |
+-------------------------+
|          SRAM           |
|        静态数据         |
|  (全局变量、静态变量)    |
+-------------------------+
|          SRAM           |
|        FreeRTOS 堆      |
|  (任务栈、TCB、动态分配) |
+-------------------------+
|          SRAM           |
|        系统堆           |
|   (Heap_Mem, 512字节)   |
+-------------------------+
|          SRAM           |
|        主栈 (MSP)       |
|       (启动代码、中断)   |
+-------------------------+
|      Low Address        |

Flash：存储程序代码和中断向量表。
SRAM：
- 静态数据区域：存储全局变量和静态变量。
- FreeRTOS堆：由FreeRTOS管理，用于分配任务栈和任务控制块（TCB）。
- 系统堆：由系统启动文件定义，用于系统级别的动态内存分配。
- 主栈 (MSP)：用于系统启动和中断处理。

系统启动文件中的内存分配

系统启动文件（如startup_gd32f10x_hd.s）负责初始化单片机的堆栈和堆区，并设置中断向量表。以下是关键部分的解析：

堆栈和堆的定义

Stack_Size          EQU     0x00000800    ; 2KB 主栈大小

                        AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3
Stack_Mem           SPACE   Stack_Size
__initial_sp

Heap_Size           EQU     0x00000200    ; 512 字节 堆大小

                        AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3
__heap_base
Heap_Mem            SPACE   Heap_Size
__heap_limit

主栈 (MSP)：
- 大小：2KB（0x800 字节）。
- 用途：用于系统启动和中断处理。
- 内存区域：Stack_Mem。
系统堆 (Heap_Mem)：
- 大小：512字节（0x200 字节）。
- 用途：用于系统级别的动态内存分配，如标准库的malloc、free。
- 内存区域：Heap_Mem。

堆栈和堆的初始化

__user_initial_stackheap PROC
    LDR     R0, = Heap_Mem
    LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
    LDR     R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)
    LDR     R3, = Stack_Mem
    BX      LR
ENDP

寄存器用途：
- R0：指向系统堆的起始地址（Heap_Mem）。
- R1：指向主栈的结束地址（Stack_Mem + Stack_Size）。
- R2：指向系统堆的结束地址（Heap_Mem + Heap_Size）。
- R3：指向主栈的起始地址（Stack_Mem）。

中断向量表

__Vectors           DCD     __initial_sp                      ; Top of Stack
                    DCD     Reset_Handler                     ; Reset Handler
                    DCD     NMI_Handler                       ; NMI Handler
                    ; ... 其他中断处理函数

中断向量表：
- 位于Flash中，包含各个中断的入口地址。
- __initial_sp：主栈的初始指针，指向主栈顶部。

FreeRTOS的内存管理机制

FreeRTOS提供了多种内存分配方案（heap_1.c到heap_5.c），以适应不同的需求。核心概念如下：

总堆 (ucHeap)：
- 定义在FreeRTOS配置文件中，通常通过以下方式声明：
```
extern uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
```
  或者在某些配置下：
```
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
```
- 用途：用于FreeRTOS的动态内存分配，包括任务栈、任务控制块（TCB）以及其他需要动态分配的内存。
任务栈：
- 每个任务在创建时（通过xTaskCreate）从总堆中分配一块独立的内存区域作为其栈空间。
- 独立性：每个任务有自己的栈，互不干扰。
内存分配方案：
- heap_1.c：简单的无释放机制，适用于不需要动态释放内存的应用。
- heap_2.c：支持释放内存，但容易产生碎片。
- heap_3.c：直接使用C库的malloc和free，灵活但不推荐。
- heap_4.c：支持内存块的合并和释放，适合多任务环境。
- heap_5.c：支持多个堆区域，适用于复杂的内存分配需求。