實時單片機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)存管理

在AUTO 2000 DCS系統(tǒng)中，我們采用了單片機(jī)實時通訊網(wǎng)絡(luò).這是一種具有不確定控制站監(jiān)控的主從式總線網(wǎng)絡(luò).大致的工作過程是:網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上電，各站點進(jìn)行控制權(quán)爭奪確立控制站和非控制站；控制站輪詢各站點，被輪詢的站點若有數(shù)據(jù)發(fā)送即成為主站，執(zhí)行主機(jī)/從機(jī)的通訊；通訊結(jié)束后(無論成功與否)主站將控制權(quán)歸還給控制站；控制站然后輪詢下一個站點，周而復(fù)始。　
　　為了提高通訊效率，采取了一系列相應(yīng)的措施.例如，我們把站點集分為活動站點集和非活動站點集.這樣，單片機(jī)網(wǎng)中如有某站點出現(xiàn)故障，該站點被控制站詢問時響應(yīng)將超時，則該站點將從活動站點集轉(zhuǎn)到非活動站點集中.這樣，系統(tǒng)在下一次輪詢時就不再輪詢該站點.故障站點恢復(fù)正常后或有新的站點開機(jī)上線，控制站將在輪詢周期結(jié)束后的測試周期中將它們加入到活動站點集中.事實上，控制站輪詢的是活動站點，測試的是非活動站點.這無疑是一種提高網(wǎng)絡(luò)效率的方法。
　　另外還有一種更為重要的途徑即為本文將要介紹的動態(tài)內(nèi)存管理方法。DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一般有下述幾種：較長的周期性數(shù)據(jù)，較短的隨機(jī)上報數(shù)據(jù)及較短的命令/響應(yīng)數(shù)據(jù)。對周期性數(shù)據(jù)，稍微的滯后甚至一兩次丟失都是允許的；而對隨機(jī)上報數(shù)據(jù)和命令/響應(yīng)數(shù)據(jù)，則要求盡可能快地完成傳輸。在傳統(tǒng)的靜態(tài)內(nèi)存分配方式下，甲網(wǎng)卡接收到乙網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)后在上傳至宿主機(jī)前宣布內(nèi)存緩沖區(qū)滿而不能接收其它站點的數(shù)據(jù)。這顯然是對內(nèi)存資源的一種浪費(fèi)，同時也嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)的通訊效率。采用動態(tài)內(nèi)存分配方式后，甲網(wǎng)卡每收到一批數(shù)據(jù)，只從自己有限的空閑內(nèi)存中分配出合適的一塊來存放該批數(shù)據(jù)，剩下的空閑內(nèi)存仍可接收其它網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)，并當(dāng)宿主機(jī)有空時，將所有接收的數(shù)據(jù)一并上傳至宿主機(jī)并清空內(nèi)存。因此通訊效率大為提高。
1 內(nèi)存表結(jié)構(gòu)
　　為了對網(wǎng)卡上單片機(jī)內(nèi)存進(jìn)行管理，設(shè)置了一張內(nèi)存狀況表(簡稱內(nèi)存表)來記錄當(dāng)前內(nèi)存的使用情況。所謂內(nèi)存管理，實際上即為內(nèi)存的分配和回收，主要解決兩個問題：
　　(1) 對需要申請的內(nèi)存長度，分配程序需從內(nèi)存表中尋找出合適的空閑區(qū).分配給該批數(shù)據(jù)使用，并對內(nèi)存表進(jìn)行更新。
　　(2) 進(jìn)程或作業(yè)釋放內(nèi)存資源時，和相鄰的空閑區(qū)進(jìn)行鏈接合并，更新可用表。
　　具體地，以某一基本容量(視系統(tǒng)通訊的數(shù)據(jù)量而定，在此為1K)對可用內(nèi)存區(qū)域(如0400H ～ 3FFFH)進(jìn)行劃分和編號(1～15)，每一個實際的已分配內(nèi)存區(qū)和空閑內(nèi)存區(qū)在內(nèi)存表中占據(jù)一個表項位置，而每一表項結(jié)構(gòu)為：

這樣在某一時刻，可能有1～15個獨立的內(nèi)存區(qū)(空閑的或已分配的)。也就是說，可用內(nèi)存表表項的最大數(shù)目為15。但在某一時刻，卻可能只有1個區(qū)(如初始化后只有1個空閑內(nèi)存區(qū))。為了查找某時刻實際內(nèi)存的分配情況，我們設(shè)計了逆向搜索鏈，該鏈由內(nèi)存表項的后兩欄組成，如圖1所示。

該圖中，第15表項的結(jié)束塊號肯定為15，表示編號為15的內(nèi)存區(qū)域(3C00H～3FFFH)肯定是某個已分配區(qū)域(或空閑區(qū)域)的一部分。但該區(qū)域究竟有多大，要看第15表項的第3欄(塊數(shù))，設(shè)為5。這就表明其相鄰的上一區(qū)域的結(jié)束塊號為15減去5。然后查找內(nèi)存表的第10表項 ，可知其大小為8。接下來查找第2表項，得到其分配塊大小為2。從而可得該時刻內(nèi)存中實際分配3個區(qū)，大小分別為5，8，2。至于內(nèi)存表中的其它表項在該時刻是無用的。 運(yùn)行初始化程序init_table后，內(nèi)存表的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，00C0H～00C2H和00F0H的地址用來存放表頭和表尾的標(biāo)志，內(nèi)存表的主要內(nèi)容有15項，每一項3個欄目，每一個欄目占用一個實際內(nèi)存單元.初始化后的0400H到3FFFH的15K內(nèi)存均為空閑，故從終止塊號15逆推15塊，1～15塊均為空閑塊，即內(nèi)存表中只有一個內(nèi)存區(qū).在內(nèi)存表的結(jié)構(gòu)圖中反映為表中主要內(nèi)容的第15項的標(biāo)志位為free, 內(nèi)存區(qū)的終止塊號為15，塊數(shù)為15，其它表項則是無用的。
2 內(nèi)存的分配
　　那么，如何利用這張內(nèi)存表進(jìn)行內(nèi)存分配呢？動態(tài)分區(qū)分配方法采用最先適應(yīng)法。用一個例子來說明這個問題。例如經(jīng)過若干次分配和空閑區(qū)回收后，甲站點內(nèi)存表的主要情況如圖3所示(卡上還有一批數(shù)據(jù)未傳入宿主機(jī))。

在這種情況下，乙站點申請分配4塊內(nèi)存，則先把地址指針定位00EDH處(第15項的標(biāo)志欄處)，由于該項的標(biāo)志為free但大小不夠，故需向前查找.用該項的終止塊號(15)減去該項的塊數(shù)(1)得到數(shù)字14，故將地址指針定位到第14項處的標(biāo)志欄處，雖塊數(shù)大小夠但該內(nèi)存區(qū)為busy，故仍需往前找.此時用第14項處的終止塊號(14)減去該項的塊數(shù)(4)得到數(shù)字10，所以將地址指針定位到第10項的標(biāo)志欄處。第10項的塊數(shù)大于需分配的內(nèi)存塊數(shù)，故可以在此處分配.分配后的內(nèi)存表的主要情況如圖4所示。

在單片機(jī)的匯編程序中，動態(tài)分配內(nèi)存是調(diào)用allocate子程序來完成的.具體步驟是這樣的：
　　(1)先由入口參數(shù)寄存器R3和R2(存放需要申請的內(nèi)存長度)折合成需分配的內(nèi)存塊數(shù)，并將其值傳遞給變量required_size。
　　(2)從內(nèi)存表末(00ED H處)自后向前找.即先把地址指針定位在00EDH處(第15項的標(biāo)志欄處)，如果該項的標(biāo)志不為free或該項的標(biāo)志為free但該項的內(nèi)存塊數(shù)小于需分配的內(nèi)存塊數(shù)，則用該項第二欄的數(shù)字(終止塊號)減去該項第三欄的數(shù)字(塊數(shù))作為下一次向前查找的表項號，并由此定位下一次向前查找的地址指針.就這樣一直向前查找，直到找到不小于需分配的內(nèi)存塊數(shù)或已到內(nèi)存表頭.
　　(3) 如找到不少于申請塊數(shù)的空閑區(qū)，將空閑區(qū)的低端分配給該批數(shù)據(jù)使用，相應(yīng)地修改內(nèi)存表中的相關(guān)項，子程序返回分配成功標(biāo)志；否則，子程序返回分配不成功標(biāo)志。
3 內(nèi)存的釋放和合并
　　雖然我們成功地制定了內(nèi)存分配的算法和子程序，但是在內(nèi)存管理中還要處理空閑區(qū)的釋放和相鄰空閑區(qū)的合并。free_and_join子程序就是用來完成這個任務(wù)的.當(dāng)接收方(從機(jī))接收完發(fā)送方(主機(jī))發(fā)來的報文數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳給宿主機(jī)后，就需要在free_and_join子程序中釋放該報文數(shù)據(jù)在本機(jī)中所占的內(nèi)存(free)，并且需要檢測該被釋放的內(nèi)存與其相鄰的空閑內(nèi)存是否可以合并。如能，合并之.這樣，該機(jī)如接收其它主機(jī)發(fā)來的長的報文數(shù)據(jù)時，可以有足夠大的連續(xù)的空閑內(nèi)存來分配；同時，也保證了內(nèi)存操作的完備性.算法是這樣實現(xiàn)的：
　　(1)內(nèi)存表中被釋放項的標(biāo)志改為free。
　　(2)由于表項中的第二欄為終止塊號而非起始塊號，且在內(nèi)存表中向前查找是沿著內(nèi)存表的地址減小的方向進(jìn)行的，故需先尋找上相鄰，再尋找下相鄰.
　　(3) 判斷上相鄰表項是否free；如果是，合并之。
　　用被釋放項的終止塊號r_block_end (R2)減去該項的塊數(shù)r_block_num (R3)，并將其值傳給R4，再調(diào)用block_to_address子程序來向前找上相鄰.如果該項處的標(biāo)志為free，則是上相鄰.取出上相鄰表項處的塊數(shù)，加到本表項(被釋放項)的塊數(shù)R3上，并寫入本表項；并將上相鄰表項處的標(biāo)志置為03H(異于busy和free即可)。
　　(4) 判斷下相鄰表項是否free；如果是，合并之。
　　把地址指針定位00ED H處(內(nèi)存表尾)，從內(nèi)存表尾向前找.取出地址指針處的表項的終止塊號并存入R5，再取出該表項的塊數(shù)并存入R4.直到R5減去R4的結(jié)果等于被釋放項的終止塊號為止.若此時地址指針處的表項的標(biāo)志為free，則該表項是被釋放項的下相鄰.在下相鄰表項處，將該項的塊數(shù)加上被釋放項的塊數(shù)并存入；在被釋放項處將標(biāo)志置為03H(異于busy和free即可).
　　舉一個例子能更好地表明這種動態(tài)分區(qū)的釋放和合并算法.例如將被釋放的內(nèi)存區(qū)在內(nèi)存表中是第6塊和第7塊.其上相鄰處內(nèi)存區(qū)為第3，4，5塊，且其標(biāo)志為free；其下相鄰處內(nèi)存區(qū)為第8，9，10塊，且其標(biāo)志為free；合并的過程如圖5所示。

總之，與固定分區(qū)法相比，動態(tài)分區(qū)法在報文接收前不建立分區(qū).分區(qū)的建立是在報文接收的過程中進(jìn)行的，且其大小可隨報文長度動態(tài)改變，這就改變了靜態(tài)分區(qū)法中的即使是小數(shù)據(jù)量也要占據(jù)大分區(qū)的浪費(fèi)堵塞現(xiàn)象，從而提高了內(nèi)存的利用率.另外，也提高了DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊的短數(shù)據(jù)的平均傳輸速率，更適應(yīng)DCS系統(tǒng)的實時性要求.