RTOS内存管理

操作系统提供给用户的另一个重要的功能，就是对你硬件的有限容量内存进行管理，使得你每个任务运行态时，可以最合理地使用硬件平台的内存，这个是内存管理的最基本功能。

（一） “堆”和“栈”

学过微机原理的读者，可能都会知道，在x86架构的机器里面，有两个专门和堆栈管理相关的寄存器，一个叫堆栈段位寄存器SS，另一个叫堆栈指针寄存器SP。我想，这里是大家最早接触堆栈的地方。

但是，细心的读者可能会发现，我在这里的写法是将“堆”和“栈”进行分离，这也就是意味着，这里的“堆”和“栈”并不是指上述里面的“堆栈”。这里的堆栈，说简单点，就是指的操作系统里面的数据结构。我们将英文“Stack”称为“栈区”，将英文“Heap”称为“堆区”。我们再来强调一下，单片机里面或者处理器里面的“堆栈”，指的是一种特殊的存储器，而操作系统里面的“堆”和“栈”，是两种不同的数据结构。

以下例子都是假设在有操作系统基础上。假设，我们用C语言定义一个变量“int a = 0xfe;”，这条语句转到系统操作时，变量a到底存在哪里，并且给它多大的存储区，则由编译器自动分配释放，以上存储的地方，我们称为“栈区” 。另外，存放函数的参数值，局部变量的值等也是存放进入栈中。

而假设，你使用了“malloc”函数去开辟一块内存区，这块存储区，实际上是由一块块连续或者不连续的内存所构成的，其类似于一种链表式的数据存储区，这样的操作就是所谓的在“堆区”开辟内存。

另外，“栈区”存储的变量，系统会在每次使用时进行分配，不用时自动回收，因此为什么有static这种关键词，也是这个原因；而“堆区”的内存，开辟之后，如果不去用，一定要去手动释放它，因为系统不会自动去回收。如果多个任务都动态分配内存，而不去回收，则会容易造成内存溢出，进而产生严重的后果。“堆区”的内存，只有一种情况下是会被自动释放的，也就是强制将系统停止时就释放了。

有了以上知识之后，我们就可以解释操作系统任务的内存分配问题了，所有的操作系统内存管理，都是在系统将处于运行态时，在“堆区”分配给内存一块内存，具体内存的大小，在FreeRTOS里面，由用户自己去设定。这样一来，我们只要分配的合理，我们的任务在任何情况下，都可能分配给运行态的任务最合理的内存大小，因为非运行态的任务可以释放出大量的内存。

（二） 虚拟内存技术

都说Linux的移植性非常广的，你可以在几乎任何带MMU的平台上面移植Linux。这句话似乎有点问题，因为Linux要想移植，首先保证你的平台是带MMU的 。重点是，什么是“MMU”。

“MMU”，内存管理单元（Memory Manage Unit），它是实现“虚拟内存技术”的关键性硬件部件，那么什么是“虚拟内存技术”?为什么要用“虚拟内存技术”？

虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。关于虚拟内存的详细说明，可以参考我们后一篇转载的文章。

虚拟内存真正的好处有两点：第一点，避开了应用程序直接访问物理内存，这样的话，即使哪个粗心的程序员忘记释放内存了，系统也只会回收相应的任务，而不会让整个系统奔溃。第二点，可以做到将有限的物理内存，扩展到最高，比如，你的计算机的地址总线是32位的，那就可以将2GB的物理内存，扩展成2^32.。

可惜的是，本来STM32上面跑一个Linux也不是什么大问题，只是由于了MMU的限制，只能遗憾地跑FreeRTOS了，这就是最远的距离。不过前几年，有些内核黑客改写了Linux的内存管理代码，将其MMU限制了，并用软件方式去模拟，命名为uCLinux，只不过，效果实在是不好，因此慢慢没落了。