嵌入式Web訪問時(shí)的內(nèi)存丟失問題

    由于嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式Web服務(wù)器軟件越來越大，對硬件的要求也相應(yīng)地提高，但在工業(yè)現(xiàn)場的底層控制中，一般嵌入式系統(tǒng)的硬件配置都不是很高，導(dǎo)致了軟件和硬件的沖突。本文就是對實(shí)際應(yīng)用過程中，偶爾出現(xiàn)的Web頁面訪問出錯(cuò)問題進(jìn)行深入的研究。

1 嵌入式Web在系統(tǒng)中的應(yīng)用
    多支點(diǎn)觸發(fā)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)模塊：控制臺(tái)模塊、網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源模塊、被觸發(fā)設(shè)備模塊。其中，網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源和被觸發(fā)設(shè)備都是掛載在總線上的，通過現(xiàn)場總線可以將系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接起來以方便管理。嵌入式web就是應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源模塊中，它負(fù)責(zé)控制臺(tái)和被觸發(fā)設(shè)備之間的通信?？刂婆_(tái)通過瀏覽器訪問網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源，在Web頁面上完成相應(yīng)控制操作后，由網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源把操作命令發(fā)送到總線上，被觸發(fā)設(shè)備從總線上接收到命令后，完成相應(yīng)操作。在網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源模塊中，Web服務(wù)器采用的是Boa，嵌入式操作系統(tǒng)采用的是uClinux，處理器采用的是Sam-sung公司的S3C44BO。多支點(diǎn)觸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 Boa的運(yùn)行流程及出現(xiàn)的問題
    Boa是單任務(wù)的http服務(wù)器，源碼開放，性能高。與傳統(tǒng)的Web服務(wù)器不同，它并不對每個(gè)進(jìn)入服務(wù)器的連接開辟新的進(jìn)程，所有活動(dòng)的http連接都在內(nèi)部進(jìn)行處理，而只為每個(gè)CGI連接啟動(dòng)新進(jìn)程。在已進(jìn)行的測試中，Boa服務(wù)器比其他的Web服務(wù)器要快，所以它應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中是具有良好前景的。圖2是Boa基本的運(yùn)行流程。[!--empirenews.page--]
    在Boa運(yùn)行過程中，用戶請求初始Lo-gin頁面時(shí)，系統(tǒng)能正常響應(yīng)操作。當(dāng)用戶輸入正確的Login信息，要實(shí)現(xiàn)頁面跳轉(zhuǎn)時(shí)，PC機(jī)上的瀏覽器里面不能正確瀏覽，提示錯(cuò)誤：“502 bad gate-way The CGI was notCGI／1．1 compliant”。由于運(yùn)行的是CGI程序，通過調(diào)試和查看錯(cuò)誤日志，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)停留在步驟⑤～⑦間。在排除CGI程序錯(cuò)誤后，通過串口調(diào)試終端打印出的錯(cuò)誤信息發(fā)現(xiàn)：在執(zhí)行CGI程序時(shí)，內(nèi)核申請內(nèi)存時(shí)出錯(cuò)，提示申請的內(nèi)存塊不能得到，即內(nèi)存丟失。

3 系統(tǒng)內(nèi)存丟失分析
3．1 uClinux的內(nèi)存管理
    uClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，它仍然采用存儲(chǔ)器的分頁管理。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對存儲(chǔ)器分頁，加載應(yīng)用程序?qū)Τ绦蚍猪摷虞d。由于沒有MMU管理，所以uClinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理。uClinux系統(tǒng)對內(nèi)存的訪問是直接的(它對地址的訪問不經(jīng)MMU，而是直接送到地址線上輸出)，所有程序訪問的地址是物理地址。那些比物理內(nèi)存還大的程序?qū)o法執(zhí)行。[!--empirenews.page--]
    uClinux將整個(gè)物理內(nèi)存劃分成為4 KB的頁面。由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)page管理，有多少頁面就有多少page結(jié)構(gòu)，它們又作為元素組成數(shù)組men_map[]。物理頁面可作為進(jìn)程代碼、數(shù)據(jù)和堆棧的一部分，還可存儲(chǔ)裝入的文件，也可作緩沖區(qū)。
    uClinux用標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核變型BuddySystem機(jī)制管理空閑物理頁面。
3．2 內(nèi)存丟失原因
    由于uClinux提供了跟普通Linux一樣的內(nèi)存分配器，普通Linux中缺省的內(nèi)存分配器是使用“2的冪”的分配方法，這樣可以快速找到符合要求的內(nèi)存區(qū)域。在系統(tǒng)開發(fā)過程初期，采用的就是“2的冪”的分配方法。如果一個(gè)應(yīng)用程序要求(X)KB內(nèi)存空間進(jìn)行裝載，則實(shí)際使用占用的內(nèi)存空間大小為Y=2m(Y≥X)。試想一個(gè)65 KB應(yīng)用程序，如果按照“2的冪”的分配方法，就必須分配128 KB(2的7次方)的內(nèi)存空間，這樣就有63 KB的內(nèi)存空間不能被利用上。這對于小內(nèi)存的嵌入式系統(tǒng)來說是相當(dāng)大的浪費(fèi)。
    多支點(diǎn)觸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，嵌入式操作系統(tǒng)uClinux使用“2的冪”的內(nèi)存分配方法，大多數(shù)情況下都能正常工作。但在不斷反復(fù)測試中，偶爾會(huì)出現(xiàn)上述頁面出錯(cuò)問題。錯(cuò)誤的原因是不能獲得足夠的內(nèi)存加載程序。通過調(diào)試終端，用free命令查看系統(tǒng)內(nèi)存分配情況如表1所列。

    由表1可以看出，空閑的內(nèi)存空間還有1560 KB，而應(yīng)用程序所需的內(nèi)存空間為400多KB，但是內(nèi)核認(rèn)為并沒有足夠的內(nèi)存空間用來加載程序。例如一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存大小為1 MB，有400KB的空閑內(nèi)存，為了裝載一個(gè)應(yīng)用程序需要分配100 KB的空間。大家可能覺得這個(gè)需要肯定能得到滿足，然而，由于uClinux必須給應(yīng)用程序分配連續(xù)內(nèi)存空間的特性，所以必須有100KB連續(xù)的內(nèi)存空間才能滿足這個(gè)需要。而當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存分配如圖3所示時(shí)，最大的連續(xù)內(nèi)存塊的大小只有80 KB，這樣是沒有辦法分配給這個(gè)應(yīng)用程序的。這就是系統(tǒng)中頁面訪問出錯(cuò)的問題所在，雖然有足夠的空閑內(nèi)存空間，但是沒有應(yīng)用程序所需的連續(xù)內(nèi)存空間。

    這就是內(nèi)存丟失問題。雖然系統(tǒng)會(huì)顯示大量的可用內(nèi)存，但是應(yīng)用程序卻不能得到。

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4 內(nèi)存丟失問題的解決
    由于系統(tǒng)的內(nèi)存管理默認(rèn)采用“2的冪”的分配方法，這就造成了內(nèi)存空間的巨大浪費(fèi)，當(dāng)某些應(yīng)用程序要申請較大的連續(xù)空間時(shí)，卻不能滿足。為了解決這個(gè)問題，專門為uClinux內(nèi)核設(shè)計(jì)了可選的內(nèi)存分配器。不同的內(nèi)核版本，這個(gè)可選的內(nèi)存分配器不同，一般是page_alloc2和kmalloc2。
    page_alloc2能解決缺省的分配方法造成的浪費(fèi)問題。雖然它也是使用“2的冪”的分配方法，但它是按頁(每頁4 096B，即4 KB)分配的，分配的內(nèi)存大小如果已經(jīng)滿足了要求，則只是將當(dāng)前的一頁分配出去，其他的就不再分配。還是一個(gè)65 KB的應(yīng)用程序，如果使用這種方法，就只是分配68 KB(≥65 KB，且為整頁)即可，這樣就能節(jié)省60 KB的空間。
    page_alloc2還采取了一些避免內(nèi)存碎片的方法。它將所有的兩頁(8 KB)或更少的內(nèi)存需求從空閑內(nèi)存開始部分向上分配，所有大的內(nèi)存需求從剩余內(nèi)存的末尾部分開始向下分配。這樣防止了網(wǎng)絡(luò)緩存等的臨時(shí)分配，避免了內(nèi)存碎片的出現(xiàn)。同時(shí)，它支持一次申請超過1 MB的內(nèi)存空間，這對一些大的應(yīng)用程序是很好的支持。采用此方法后，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，并未出現(xiàn)過頁面訪問出錯(cuò)問題。通過free命令查看內(nèi)存分配如表2所列。

結(jié) 語
    在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛的情況下，本文結(jié)合嵌入式Web在多支點(diǎn)觸發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了Web訪問出現(xiàn)的問題以及它的解決方法。在實(shí)際應(yīng)用中，新的內(nèi)存分配方法能讓系統(tǒng)穩(wěn)定地工作，但是從表2可以發(fā)現(xiàn)：采用“page_alloc2‘’的內(nèi)存分配方法時(shí)，系統(tǒng)的Cache較小，這就造成了頁面訪問有一定的延時(shí)。而“2的冪”的分配方法，系統(tǒng)的Cache較大，訪問速度較快。從這個(gè)對比得知，在反應(yīng)時(shí)間要求不是很高的情況下，“page_alloc2”的內(nèi)存分配方法更適合小內(nèi)存的嵌入式系統(tǒng)；而“2的冪”的分配方法更合適那些內(nèi)存足夠大的嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)開發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際情況采用不同的方案。