FreeRTOS 笔记_动态内存管理

    动态内存管理是 FreeRTOS 非常重要的一项功能，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。

    1 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 种动态内存管理方案中的一种。 下面将这 5 种动态内存管理方式分别进行讲解。

1.1 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，所以也释放内存。

    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。

    ◆ 静态内存分配，申请的内存是不允许被释放掉的。

1.2 动态内存管理方式二 heap_2

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，动态内存仅管理方式四 heap_4 支持内存碎片整理。

    用户通过函数 xPortGetFreeHeapSize 就能获得 FreeRTOS 动态内存的剩余，用户可以根据剩余情况优化动态内存的大小，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。

    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_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，这样容易产生内存碎片，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，不建议采用这种动态内存管理方式。

    ◆ 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。

1.3 动态内存管理方式三 heap_3

heap_3实现的动态内存管理是对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：

1.4 动态内存管理方式四 heap_4

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，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。

1.5 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：

比如下面定义了两个内存块:

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。

1.6 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。