嵌入式操作系统内存管理技术的分析与比较

嵌入式操作系统内存管理技术的分析与比较

　1 概 述

　　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，其主要任务是为操作系统内核和各执行程序组织内存，跟踪当前内存使用状况，在需要时为进程分配内存，使用完毕后释放并回收内存。智能手机操作系统作为嵌入式操作系统的一种，较之普通桌面型操作系统，其内存管理有着独特之处：受硬件成本、设备体积等因素制约，内存容量一般相当有限，需要高效地使用；电源管理尤为重要，一次充电要保证数小时以上的工作时间；手持设备内程序一般几天甚至几个月不停运行，系统稳定性要求高，需保证用户数据的安全。此外，与传统的嵌入式实时操作系统相比，如Vx-Works，μClinux等，智能手机嵌入式操作系统还是一个开放性的操作系统，这意味着几乎所有的智能手机嵌入式操作系统都允许用户安装第三方程序。因此，在操作系统设计时还要综合考虑编程的易用性及接口的模块化，以适应终端用户、制造商、操作系统软件开发者和第三方软件开发者的不同需求。

　　1．1 Symbian操作系统

　　Symbian操作系统是智能手机市场中的主要成员，其市场份额超过70％。该操作系统由英国Symbian公司负责研发和维护，目前该公司由Nokia、SonyErisson、Panaso-nic、Samsung等公司共同所有。Symbian操作系统的前身是EPOC，这是一个多任务的32位软实时操作系统。Symbian在设计之初就是专门针对高度内存受限的系统的，因此其在内存使用和电源管理上具有很多优势。Symbian操作系统具有完善的软件开发包，供第三方应用程序开发使用。目前最新版本的Symbian操作系统为Symbian OS 9．5。

　　1．2 WindOWS Mobile操作系统

　　Windows Mobile是微软为手持设备推出的“移动版Windows”。使用Windows Mobile操作系统的设备主要有手机、PDA、随身音乐播放器等。该操作系统是基于Windows CE内核的一种嵌入式操作系统。由于与桌面Windows操作系统的兼容性，第三方开发者可以很方便地为Windows CE开发程序，但与桌面Windows开发仍存在较大区别。目前常用版本为Windows Mobile 6．1，最新版本6．5，均基于Windows CE 5．2内核。为表述一致，下文中将Windows Mobile简称为WinCE。

　　2 内存管理技术分析与比较

　　2．1 整体架构

　　Symbian操作系统诞生之初，是针对掌上型资源高度受限设备开发的。为了追求极致的性能和最小的资源消耗，它从操作系统内核到编程框架都进行了严格的优化，甚至对C++的不少基本机制也进行了大刀阔斧的革新。因此软件开发者和厂商需要掌握新的Symlbian C++语法及新的编程接口。Symbian操作系统兼容性较差，一般只支持ARM系列处理器。

　　WinCE系统在设计之初就充分考虑到对桌面操作系统组件和编程接口的兼容性，这样给程序开发者带来很大益处，并且方便厂商进行设备升级及驱动维护。WinCE支持多种CPU，如ARM、MIPS、SH4、x86等。因此其在内存管理模块设计上的兼容性和接口的规范性更好。Symbian相对于WinCE的优势在于其针对指定处理器设计的内存管理模块更加高效，但是这也以牺牲兼容性为代价。出于对电源管理的考虑，Symbian系统的设备CPU频率普遍较WinCE要低，一般为100～300 MHz(WinCE是300～800 MHz)。

　　2．2 ROM与RAM

　　(1)RAM

　　RAM全称为随机存取存储器，通常作为操作系统或其他正在运行的程序的临时存储介质，速度较快，但是当电源关闭时存储的数据会丢失。

　　WinCE中RAM被分成两块区域，对象存储和程序区(系统堆)。对象存储可以被看作类似一个永久的虚拟RAM磁盘。在Pocket PC上，当显示屏关闭后，系统并没有真正断电，而是进入低功耗的睡眠状态(由主电池来供电)。当按下Reset按钮后，Windows CE内核在RAM中寻找最近一次创建的对象存储，如果找到，就用这个对象存储重新启动。

　　RAM的另一个区域是程序区。这个区域就像PC机的RAM一样。它存放所运行程序的堆和栈的空间。对象存储和程序区的界限是可移动的。在低内存的情况下，系统会请求用户把部分可用的存储对象空间提供给运行程序使用，以满足程序运行时对RAM的需要。在Symbian操作系统中，RAM不存在类似于对象存储的区域，其RAM全部用于运行程序的临时执行和数据存储器。因此一般Symbian操作系统上RAM大小为7～30 MB，小于winCE中的32～128 MB。

　　(2)ROM

　　ROM是只读存储器。在PC机上，ROM用来存储BIOS，通常是64～128 KB。在WinCE系统中，ROM用来存储整个操作系统以及和OS绑定的应用程序。Symbian系统中ROM功能类似，也是用来存储系统驱动程序及系统DLL和配置文件。对ROM进行写入需要指定的设备，普通用户无法对ROM中的数据进行操作。由于ROM中的代码都是经过特殊编译，去除了重定位代码段，因此可以在ROM上直接执行(excute in place)，不用加载到RAM中，从而提高了启动速度并节省了RAM资源。

2．3 MMU

　　作为现代操作系统的一种，智能手机操作系统具有强大而高效的MMU，在这一点不同于其他实时嵌入式操作系统，如μC／OS-II和μClinux。通过MMU提供的内存映射和数据保护，可以提高操作系统的运行效率和安全性。MMU运行于CPU和系统总线之间，负责在虚拟地址和物理地址之间进行转换，在任一次内存访问中都会进行MMU的地址查找。

　　(1)虚拟内存

　　Windows CE是32位操作系统，支持4 GB的虚拟地址空间。高2 GB是系统内存空间，用来存储相应的系统数据。低2 GB是用户空间。所有的应用程序均有2GB的虚拟地址，但是每个应用程序的内存空间都是受保护的，其他应用程序不能访问。从最低的虚拟地址空间开始，分为33个slot，每个slot为32 MB。每个slot被分配为当前运行的进程。slot 0中存放当前激活的进程。当WinCE在进程间切换时，它就重新映射地址空间，把原进程移出，新进程移进slot 0。这个任务是通过操作微处理器的页转换表来迅速完成的。

　　WinCE定义了4种内存状态：normal、limited、low、critical。这些状态的划分主要取决于当前可用的内存大小。在WinCE中，当出现内存不足的情况时，线程首先被挂起。这时系统如果没有可用的物理RAM，需要栈空间的线程就会被挂起。系统首先发送WM_HIBERNATE消息，该消息会向所有的进程请求。它们在不破坏各自内在状态的情况下尽量释放内存，比如释放GDI对象、缓冲数据等，然后限制内存申请的请求。如果在给定的一小段时间内，这个内存需求不能得到响应，就会弹出系统异常。在低内存情况下不应该尝试使用大量的栈空间。而在Symbian操作系统中，系统能运行的程序数量是由实际内存大小决定的，而不限于32个。当内存不足时，运行新程序将会收到内存不足的警告，并终止进程。

　　(2)虚拟地址映射

　　MMU一般将页面分成4 KB大小的页面。由于CPU不同，页面大小也可以是1 KB或其他大小。内核使用MMU，将物理内存映射到块的虚拟地址范围内。WinCE与Symbian的虚拟地址映射图如图1所示，其中WinCE内核表现为NK．exe进程。

　　在ARMv5中，最高层的页表有4 096个条目，每个条目4字节，因此整个目录就有16 KB。由于WinCE支持多种不同的CPU，CPU设计结构不同页目录也不同，但是计算方法与ARMv5类似。WinCE首先直接给每个进程分配一个不同的页表，在进程切换中直接将不同进程的页表写入MMU的基寄存器TTBR中来实现映射。而Sym-bian系统认为每个进程分配16 KB页表会造成内存的浪费，因此采用了另一种管理地址映射的方法。

　　该模型针对ARMv5结构设计，被称为移动内存模型。其核心思想是对每个进程都提供同样的虚拟地址空间，但是被保护的内存页面却不一样。在页面切换中，首先将原有进程的内存移出执行地址空间，使其在用户模式下不能访问。接着将新进程的数据移入执行地址，并使其可以访问。这一思想是在内存模型上层通过Chunk实现的。通过ARMv5中提供的页表访问权限和域概念，通过改变MMU中寄存器指向的域，达到进程间保护和内存映射。这种设计方法带来了内核层的低内存消耗，但是虽然在内核层的安全性和内存使用效率上有所改善，却对其他进程的运行带来一定影响。当映射到不同的虚拟地址空间，所有被修改的数据都要重新从主存中载入，并且缓存中的数据因为已经被丢弃，必须重新载入。因此，该模式下的进程上下文中很大一部分时间消耗在缓存的刷新上，一般情况下其速度是线程切换(同进程)的1／100左右。尽管采取了其他措施，但是没有从根本上改变运行时间。

　　在最新的ARMv6中，Symbian引入了多重内存模型。该模型兼容性更强，并可在主流处理器Intel x86和Re-nesas SuperH上使用。该模型建立在与设备和操作系统无关的基础上，利用ARMv6中的应用空间辨识器(ASID)，并通过物理标记缓存技术保证了在虚拟地址和物理地址间多重映射的正确性，很好地解决了移动内存模型中的缓存刷新问题。

　　2．4 其他技术

　　(1)按需页面调度

　　由于在系统中虚拟内存远大于物理内存，因此系统必须对内存使用格外注意。一种节约物理内存使用的方法是，只加载当前运行程序使用的虚拟内存所对应的物理内存，这种方法称为按需页面调度。当一个进程试图访问一个不在当前内存中的虚拟内存地址时，系统这时会重新从磁盘上将该区域加载到内存中去。桌面操作系统很久以来一直使用这一技术，来加快系统启动速度和优化程序运行效率，WinCE也不例外。

　　WinCE中，可以通过使用Config．bib对整个系统的按需页面调度进行设置，或通过LoadDriver等函数对单个DLL的按需页面调度进行设置。Symbian操作系统却不支持这一技术。这主要是由于系统本身内存太小，采用这一技术会带来性能大幅下降。不过随着手机硬件的发展，在Symbian OS v9．3以后，系统开始支持按需页面调度。这一技术优化了内存使用，在需要时加载只读代码，从而实现了对RAM的更高使用效率。这让用户可以更快地安装应用程序，并同时保持多个应用程序的开放状态。

　　(2)内存碎片整理

　　在一个实时系统中，连续的页面请求可能会带来性能的下降。这是由于在小对象(小于1 KB的数据类型)对内存的频繁的动态申请和释放过程中，由于释放后留下的空洞不够新对象分配，导致不连续的内存可用空间无法被应用程序获得，造成可用内存迅速耗尽。这种内存空洞也叫内存碎片。操作系统可能会对这种情况作一定程度的优化，但是由于将内存可用空间压缩而导致的效率负担，并不是所有的操作系统都会对此优化。

　　得益于Symbian操作系统本身优化的内存管理和高度受限的内存使用原则，内存碎片其实并不会对手机系统的性能和内存使用率造成明显影响，因此早期的Symbian版本并不支持内存碎片整理，只提供简单的手动内存压缩功能。Symbian 9．5之所以引入“自动”内存碎片整理，一个重要的原因是：目前手机终端的内存容量变得越来越大，内存的能耗已经不容忽视。在新版本中，借助内存碎片整理，可以关闭连续的空闲物理内存块以节约能耗，当然它同时也提供了其他在主流操作系统中体现的改进一一更高效的内存访问和更大的空闲可用内存。在WinCE中，虽然不存在自动内存碎片处理，但是微软推荐使用VirtualAlloc、LocalAlloc、HeapAlloc等函数直接操作虚拟内存页，本地堆和分离堆进行内存分配操作，而不是使用如malloc、new这类会导致内存泄漏或异常的操作。

　　3 小 结

　　Symbian与WinCE在内存管理模块的设计上各有优劣，这主要是由于两个操作系统在设计之初的理念不同。Symbian设计之初是以高度受限的内存为原则进行设计，在硬件发展较为落后的时期取得了巨大的成功，但这也给第三方软件开发者带来很多困难。WinCE设计之初既要保持与Windows其他系统在编程接口上的兼容，又要尽可能地提高内存使用效率，这样不免对性能带来一定程度的影响。随着硬件的发展，智能手机的处理器速度和内存大小都有了很大提高，WinCE由于对第三方开发者的友好性，其发展仍然不可限量。