嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)存管理技術(shù)的分析與比較

1 概 述
    內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的中心任務(wù)之一。內(nèi)存管理模塊通常是操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，其主要任務(wù)是為操作系統(tǒng)內(nèi)核和各執(zhí)行程序組織內(nèi)存，跟蹤當(dāng)前內(nèi)存使用狀況，在需要時(shí)為進(jìn)程分配內(nèi)存，使用完畢后釋放并回收內(nèi)存。智能手機(jī)操作系統(tǒng)作為嵌入式操作系統(tǒng)的一種，較之普通桌面型操作系統(tǒng)，其內(nèi)存管理有著獨(dú)特之處：受硬件成本、設(shè)備體積等因素制約，內(nèi)存容量一般相當(dāng)有限，需要高效地使用；電源管理尤為重要，一次充電要保證數(shù)小時(shí)以上的工作時(shí)間；手持設(shè)備內(nèi)程序一般幾天甚至幾個(gè)月不停運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高，需保證用戶數(shù)據(jù)的安全。此外，與傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，如Vx-Works，μClinux等，智能手機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)還是一個(gè)開放性的操作系統(tǒng)，這意味著幾乎所有的智能手機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)都允許用戶安裝第三方程序。因此，在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還要綜合考慮編程的易用性及接口的模塊化，以適應(yīng)終端用戶、制造商、操作系統(tǒng)軟件開發(fā)者和第三方軟件開發(fā)者的不同需求。
1．1 Symbian操作系統(tǒng)
    Symbian操作系統(tǒng)是智能手機(jī)市場中的主要成員，其市場份額超過70％。該操作系統(tǒng)由英國Symbian公司負(fù)責(zé)研發(fā)和維護(hù)，目前該公司由Nokia、SonyErisson、Panaso-nic、Samsung等公司共同所有。Symbian操作系統(tǒng)的前身是EPOC，這是一個(gè)多任務(wù)的32位軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Symbian在設(shè)計(jì)之初就是專門針對高度內(nèi)存受限的系統(tǒng)的，因此其在內(nèi)存使用和電源管理上具有很多優(yōu)勢。Symbian操作系統(tǒng)具有完善的軟件開發(fā)包，供第三方應(yīng)用程序開發(fā)使用。目前最新版本的Symbian操作系統(tǒng)為Symbian OS 9．5。
1．2 WindOWS Mobile操作系統(tǒng)
    Windows Mobile是微軟為手持設(shè)備推出的“移動(dòng)版Windows”。使用Windows Mobile操作系統(tǒng)的設(shè)備主要有手機(jī)、PDA、隨身音樂播放器等。該操作系統(tǒng)是基于Windows CE內(nèi)核的一種嵌入式操作系統(tǒng)。由于與桌面Windows操作系統(tǒng)的兼容性，第三方開發(fā)者可以很方便地為Windows CE開發(fā)程序，但與桌面Windows開發(fā)仍存在較大區(qū)別。目前常用版本為Windows Mobile 6．1，最新版本6．5，均基于Windows CE 5．2內(nèi)核。為表述一致，下文中將Windows Mobile簡稱為WinCE。

2 內(nèi)存管理技術(shù)分析與比較
2．1 整體架構(gòu)
    Symbian操作系統(tǒng)誕生之初，是針對掌上型資源高度受限設(shè)備開發(fā)的。為了追求極致的性能和最小的資源消耗，它從操作系統(tǒng)內(nèi)核到編程框架都進(jìn)行了嚴(yán)格的優(yōu)化，甚至對C++的不少基本機(jī)制也進(jìn)行了大刀闊斧的革新。因此軟件開發(fā)者和廠商需要掌握新的Symlbian C++語法及新的編程接口。Symbian操作系統(tǒng)兼容性較差，一般只支持ARM系列處理器。
    WinCE系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就充分考慮到對桌面操作系統(tǒng)組件和編程接口的兼容性，這樣給程序開發(fā)者帶來很大益處，并且方便廠商進(jìn)行設(shè)備升級及驅(qū)動(dòng)維護(hù)。WinCE支持多種CPU，如ARM、MIPS、SH4、x86等。因此其在內(nèi)存管理模塊設(shè)計(jì)上的兼容性和接口的規(guī)范性更好。Symbian相對于WinCE的優(yōu)勢在于其針對指定處理器設(shè)計(jì)的內(nèi)存管理模塊更加高效，但是這也以犧牲兼容性為代價(jià)。出于對電源管理的考慮，Symbian系統(tǒng)的設(shè)備CPU頻率普遍較WinCE要低，一般為100～300 MHz(WinCE是300～800 MHz)。
2．2 ROM與RAM
    (1)RAM
    RAM全稱為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行的程序的臨時(shí)存儲(chǔ)介質(zhì)，速度較快，但是當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)丟失。
    WinCE中RAM被分成兩塊區(qū)域，對象存儲(chǔ)和程序區(qū)(系統(tǒng)堆)。對象存儲(chǔ)可以被看作類似一個(gè)永久的虛擬RAM磁盤。在Pocket PC上，當(dāng)顯示屏關(guān)閉后，系統(tǒng)并沒有真正斷電，而是進(jìn)入低功耗的睡眠狀態(tài)(由主電池來供電)。當(dāng)按下Reset按鈕后，Windows CE內(nèi)核在RAM中尋找最近一次創(chuàng)建的對象存儲(chǔ)，如果找到，就用這個(gè)對象存儲(chǔ)重新啟動(dòng)。
    RAM的另一個(gè)區(qū)域是程序區(qū)。這個(gè)區(qū)域就像PC機(jī)的RAM一樣。它存放所運(yùn)行程序的堆和棧的空間。對象存儲(chǔ)和程序區(qū)的界限是可移動(dòng)的。在低內(nèi)存的情況下，系統(tǒng)會(huì)請求用戶把部分可用的存儲(chǔ)對象空間提供給運(yùn)行程序使用，以滿足程序運(yùn)行時(shí)對RAM的需要。在Symbian操作系統(tǒng)中，RAM不存在類似于對象存儲(chǔ)的區(qū)域，其RAM全部用于運(yùn)行程序的臨時(shí)執(zhí)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。因此一般Symbian操作系統(tǒng)上RAM大小為7～30 MB，小于winCE中的32～128 MB。
    (2)ROM
    ROM是只讀存儲(chǔ)器。在PC機(jī)上，ROM用來存儲(chǔ)BIOS，通常是64～128 KB。在WinCE系統(tǒng)中，ROM用來存儲(chǔ)整個(gè)操作系統(tǒng)以及和OS綁定的應(yīng)用程序。Symbian系統(tǒng)中ROM功能類似，也是用來存儲(chǔ)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序及系統(tǒng)DLL和配置文件。對ROM進(jìn)行寫入需要指定的設(shè)備，普通用戶無法對ROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。由于ROM中的代碼都是經(jīng)過特殊編譯，去除了重定位代碼段，因此可以在ROM上直接執(zhí)行(excute in place)，不用加載到RAM中，從而提高了啟動(dòng)速度并節(jié)省了RAM資源。
2．3 MMU
    作為現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一種，智能手機(jī)操作系統(tǒng)具有強(qiáng)大而高效的MMU，在這一點(diǎn)不同于其他實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，如μC／OS-II和μClinux。通過MMU提供的內(nèi)存映射和數(shù)據(jù)保護(hù)，可以提高操作系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。MMU運(yùn)行于CPU和系統(tǒng)總線之間，負(fù)責(zé)在虛擬地址和物理地址之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在任一次內(nèi)存訪問中都會(huì)進(jìn)行MMU的地址查找。
    (1)虛擬內(nèi)存
    Windows CE是32位操作系統(tǒng)，支持4 GB的虛擬地址空間。高2 GB是系統(tǒng)內(nèi)存空間，用來存儲(chǔ)相應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。低2 GB是用戶空間。所有的應(yīng)用程序均有2GB的虛擬地址，但是每個(gè)應(yīng)用程序的內(nèi)存空間都是受保護(hù)的，其他應(yīng)用程序不能訪問。從最低的虛擬地址空間開始，分為33個(gè)slot，每個(gè)slot為32 MB。每個(gè)slot被分配為當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程。slot 0中存放當(dāng)前激活的進(jìn)程。當(dāng)WinCE在進(jìn)程間切換時(shí)，它就重新映射地址空間，把原進(jìn)程移出，新進(jìn)程移進(jìn)slot 0。這個(gè)任務(wù)是通過操作微處理器的頁轉(zhuǎn)換表來迅速完成的。
    WinCE定義了4種內(nèi)存狀態(tài)：normal、limited、low、critical。這些狀態(tài)的劃分主要取決于當(dāng)前可用的內(nèi)存大小。在WinCE中，當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)存不足的情況時(shí)，線程首先被掛起。這時(shí)系統(tǒng)如果沒有可用的物理RAM，需要?？臻g的線程就會(huì)被掛起。系統(tǒng)首先發(fā)送WM_HIBERNATE消息，該消息會(huì)向所有的進(jìn)程請求。它們在不破壞各自內(nèi)在狀態(tài)的情況下盡量釋放內(nèi)存，比如釋放GDI對象、緩沖數(shù)據(jù)等，然后限制內(nèi)存申請的請求。如果在給定的一小段時(shí)間內(nèi)，這個(gè)內(nèi)存需求不能得到響應(yīng)，就會(huì)彈出系統(tǒng)異常。在低內(nèi)存情況下不應(yīng)該嘗試使用大量的棧空間。而在Symbian操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)能運(yùn)行的程序數(shù)量是由實(shí)際內(nèi)存大小決定的，而不限于32個(gè)。當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，運(yùn)行新程序?qū)?huì)收到內(nèi)存不足的警告，并終止進(jìn)程。[!--empirenews.page--]
    (2)虛擬地址映射
    MMU一般將頁面分成4 KB大小的頁面。由于CPU不同，頁面大小也可以是1 KB或其他大小。內(nèi)核使用MMU，將物理內(nèi)存映射到塊的虛擬地址范圍內(nèi)。WinCE與Symbian的虛擬地址映射圖如圖1所示，其中WinCE內(nèi)核表現(xiàn)為NK．exe進(jìn)程。

    在ARMv5中，最高層的頁表有4 096個(gè)條目，每個(gè)條目4字節(jié)，因此整個(gè)目錄就有16 KB。由于WinCE支持多種不同的CPU，CPU設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同頁目錄也不同，但是計(jì)算方法與ARMv5類似。WinCE首先直接給每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)不同的頁表，在進(jìn)程切換中直接將不同進(jìn)程的頁表寫入MMU的基寄存器TTBR中來實(shí)現(xiàn)映射。而Sym-bian系統(tǒng)認(rèn)為每個(gè)進(jìn)程分配16 KB頁表會(huì)造成內(nèi)存的浪費(fèi)，因此采用了另一種管理地址映射的方法。
    該模型針對ARMv5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，被稱為移動(dòng)內(nèi)存模型。其核心思想是對每個(gè)進(jìn)程都提供同樣的虛擬地址空間，但是被保護(hù)的內(nèi)存頁面卻不一樣。在頁面切換中，首先將原有進(jìn)程的內(nèi)存移出執(zhí)行地址空間，使其在用戶模式下不能訪問。接著將新進(jìn)程的數(shù)據(jù)移入執(zhí)行地址，并使其可以訪問。這一思想是在內(nèi)存模型上層通過Chunk實(shí)現(xiàn)的。通過ARMv5中提供的頁表訪問權(quán)限和域概念，通過改變MMU中寄存器指向的域，達(dá)到進(jìn)程間保護(hù)和內(nèi)存映射。這種設(shè)計(jì)方法帶來了內(nèi)核層的低內(nèi)存消耗，但是雖然在內(nèi)核層的安全性和內(nèi)存使用效率上有所改善，卻對其他進(jìn)程的運(yùn)行帶來一定影響。當(dāng)映射到不同的虛擬地址空間，所有被修改的數(shù)據(jù)都要重新從主存中載入，并且緩存中的數(shù)據(jù)因?yàn)橐呀?jīng)被丟棄，必須重新載入。因此，該模式下的進(jìn)程上下文中很大一部分時(shí)間消耗在緩存的刷新上，一般情況下其速度是線程切換(同進(jìn)程)的1／100左右。盡管采取了其他措施，但是沒有從根本上改變運(yùn)行時(shí)間。
    在最新的ARMv6中，Symbian引入了多重內(nèi)存模型。該模型兼容性更強(qiáng)，并可在主流處理器Intel x86和Re-nesas SuperH上使用。該模型建立在與設(shè)備和操作系統(tǒng)無關(guān)的基礎(chǔ)上，利用ARMv6中的應(yīng)用空間辨識(shí)器(ASID)，并通過物理標(biāo)記緩存技術(shù)保證了在虛擬地址和物理地址間多重映射的正確性，很好地解決了移動(dòng)內(nèi)存模型中的緩存刷新問題。
2．4 其他技術(shù)
    (1)按需頁面調(diào)度
    由于在系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存遠(yuǎn)大于物理內(nèi)存，因此系統(tǒng)必須對內(nèi)存使用格外注意。一種節(jié)約物理內(nèi)存使用的方法是，只加載當(dāng)前運(yùn)行程序使用的虛擬內(nèi)存所對應(yīng)的物理內(nèi)存，這種方法稱為按需頁面調(diào)度。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程試圖訪問一個(gè)不在當(dāng)前內(nèi)存中的虛擬內(nèi)存地址時(shí)，系統(tǒng)這時(shí)會(huì)重新從磁盤上將該區(qū)域加載到內(nèi)存中去。桌面操作系統(tǒng)很久以來一直使用這一技術(shù)，來加快系統(tǒng)啟動(dòng)速度和優(yōu)化程序運(yùn)行效率，WinCE也不例外。
    WinCE中，可以通過使用Config．bib對整個(gè)系統(tǒng)的按需頁面調(diào)度進(jìn)行設(shè)置，或通過LoadDriver等函數(shù)對單個(gè)DLL的按需頁面調(diào)度進(jìn)行設(shè)置。Symbian操作系統(tǒng)卻不支持這一技術(shù)。這主要是由于系統(tǒng)本身內(nèi)存太小，采用這一技術(shù)會(huì)帶來性能大幅下降。不過隨著手機(jī)硬件的發(fā)展，在Symbian OS v9．3以后，系統(tǒng)開始支持按需頁面調(diào)度。這一技術(shù)優(yōu)化了內(nèi)存使用，在需要時(shí)加載只讀代碼，從而實(shí)現(xiàn)了對RAM的更高使用效率。這讓用戶可以更快地安裝應(yīng)用程序，并同時(shí)保持多個(gè)應(yīng)用程序的開放狀態(tài)。
    (2)內(nèi)存碎片整理
    在一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，連續(xù)的頁面請求可能會(huì)帶來性能的下降。這是由于在小對象(小于1 KB的數(shù)據(jù)類型)對內(nèi)存的頻繁的動(dòng)態(tài)申請和釋放過程中，由于釋放后留下的空洞不夠新對象分配，導(dǎo)致不連續(xù)的內(nèi)存可用空間無法被應(yīng)用程序獲得，造成可用內(nèi)存迅速耗盡。這種內(nèi)存空洞也叫內(nèi)存碎片。操作系統(tǒng)可能會(huì)對這種情況作一定程度的優(yōu)化，但是由于將內(nèi)存可用空間壓縮而導(dǎo)致的效率負(fù)擔(dān)，并不是所有的操作系統(tǒng)都會(huì)對此優(yōu)化。
    得益于Symbian操作系統(tǒng)本身優(yōu)化的內(nèi)存管理和高度受限的內(nèi)存使用原則，內(nèi)存碎片其實(shí)并不會(huì)對手機(jī)系統(tǒng)的性能和內(nèi)存使用率造成明顯影響，因此早期的Symbian版本并不支持內(nèi)存碎片整理，只提供簡單的手動(dòng)內(nèi)存壓縮功能。Symbian 9．5之所以引入“自動(dòng)”內(nèi)存碎片整理，一個(gè)重要的原因是：目前手機(jī)終端的內(nèi)存容量變得越來越大，內(nèi)存的能耗已經(jīng)不容忽視。在新版本中，借助內(nèi)存碎片整理，可以關(guān)閉連續(xù)的空閑物理內(nèi)存塊以節(jié)約能耗，當(dāng)然它同時(shí)也提供了其他在主流操作系統(tǒng)中體現(xiàn)的改進(jìn)一一更高效的內(nèi)存訪問和更大的空閑可用內(nèi)存。在WinCE中，雖然不存在自動(dòng)內(nèi)存碎片處理，但是微軟推薦使用VirtualAlloc、LocalAlloc、HeapAlloc等函數(shù)直接操作虛擬內(nèi)存頁，本地堆和分離堆進(jìn)行內(nèi)存分配操作，而不是使用如malloc、new這類會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏或異常的操作。

3 小 結(jié)
    Symbian與WinCE在內(nèi)存管理模塊的設(shè)計(jì)上各有優(yōu)劣，這主要是由于兩個(gè)操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初的理念不同。Symbian設(shè)計(jì)之初是以高度受限的內(nèi)存為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，在硬件發(fā)展較為落后的時(shí)期取得了巨大的成功，但這也給第三方軟件開發(fā)者帶來很多困難。WinCE設(shè)計(jì)之初既要保持與Windows其他系統(tǒng)在編程接口上的兼容，又要盡可能地提高內(nèi)存使用效率，這樣不免對性能帶來一定程度的影響。隨著硬件的發(fā)展，智能手機(jī)的處理器速度和內(nèi)存大小都有了很大提高，WinCE由于對第三方開發(fā)者的友好性，其發(fā)展仍然不可限量。