内存管理是一个系统基本组成部分，FreeRTOS 中大量使用到了内存管理，比 如创建任务、信号量、队列等会自动从堆中申请内存。用户应用层代码也可以使 用 FreeRTOS 提供的内存管理函数来申请和释放内存。本章要实现的功能是：使 用 heap_4.c 方案进行内存管理测试，创建了两个任务，分别是 LED 任务与内 存管理测试任务，内存管理测试任务通过检测按键是否按下来申请内存或释放内 存，当申请内存成功就向该内存写入一些数据，如当前系统的时间等信息，并且 通过串口输出相关信息；LED 任务是将 LED 翻转，表示系统处于运行状态。

1. 内存管理简介

1.1 内存管理介绍

FreeRTOS 创建任务、队列、信号量等的时候有两种方法，一种是动态的申 请所需的 RAM。一种是由用户自行定义所需的 RAM，这种方法也叫静态方法，使 用静态方法的函数一般以“Static”结尾，比如任务创建函数 xTaskCreateStatic()，使用此函数创建任务的时候需要由用户定义任务堆栈， 本章我们不讨论这种静态方法。 使用动态内存管理的时候 FreeRTOS 内核在创建任务、队列、信号量的时候 会动态的申请 RAM。标准 C 库中的 malloc()和 free()也可以实现动态内存管 理，但是如下原因限制了其使用： ● 这些函数在小型嵌入式系统中并不总是可用的，小型嵌入式设备中的 RAM 不足。 ● 它们的实现可能非常的大，占据了相当大的一块代码空间。 ● 他们几乎都不是安全的。 ● 它们并不是确定的，每次调用这些函数执行的时间可能都不一样。 ● 它们有可能产生碎片。 ● 这两个函数会使得链接器配置得复杂。 不同的嵌入式系统对于内存分配和时间要求不同，因此一个内存分配算法可 以作为系统的可选选项。FreeRTOS 将内存分配作为移植层的一部分，这样 FreeRTOS 使用者就可以使用自己的合适的内存分配方法。 当内核需要 RAM 的时候可以使用 pvPortMalloc()来替代 malloc()申请内 存，不使用内存的时候可以使用 vPortFree()函数来替代 free()函数释放内存。 函数 pvPortMalloc()、vPortFree()与函数 malloc()、free()的函数原型类似。 FreeRTOS 对内存管理做了很多事情，FreeRTOS 的 V9.0.0 版本为我们提供 了 5 种内存管理算法，分别是 heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c、 heap_5.c，源文件存放于 FreeRTOS\Source\portable\MemMang 路径下，在使用 的时候选择其中一个添加到我们的工程中去即可

1.2 内存碎片

在看 FreeRTOS 的内存分配方法之前我们先来看一下什么叫做内存碎片，看 名字就知道是小块的、碎片化的内存。那么内存碎片是怎么来的呢？内存碎片是 伴随着内存申请和释放而来的，如下图所示

标记(1)：此时内存堆还没有经过任何操作，为全新的。 标记(2)：此时经过第一次内存分配，一共分出去了 4 块内存块，大小分别 为 80B、80B、10B 和 100B。 标记(3)：有些应用使用完内存，进行了释放，从左往右第一个 80B 和后面 的 10B 这两个内存块就是释放的内存。如果此时有个应用需要 50B 的内存，那 么它可以从两个地方来获取到，一个是最前面的还没被分配过的剩余内存块，另 一个就是刚刚释放出来的 80B 的内存块。但是很明显，刚刚释放出来的这个 10B 的内存块就没法用了，除非此时有另外一个应用所需要的内存小于 10B。 标记(4)：经过很多次的申请和释放以后，内存块被不断的分割、最终导致 大量很小的内存块。也就是图中 80B 和 50B 这两个内存块之间的小内存块，这 些内存块由于太小导致大多数应用无法使用，这些没法使用的内存块就沦为了内 存碎片！ 内存碎片是内存管理算法重点解决的一个问题，否则的话会导致实际可用的 内存越来越少，最终应用程序因为分配不到合适的内存而崩溃。FreeRTOS 的 328 heap_4.c 就给我们提供了一个解决内存碎片的方法，那就是将内存碎片进行合 并组成一个新的可用的大内存块。

2. 内存分配方 法

FreeRTOS 规定了内存管理的函数接口，如下：

void *pvPortMalloc( size_t xSize ); //内存申请函数
void vPortFree( void *pv ); //内存释放函数
void vPortInitialiseBlocks( void ); //初始化内存堆函数
size_t xPortGetFreeHeapSize( void ); //获取当前未分配的内存堆大小
size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void ); //获取未分配的内存堆历史最
小值

对于 heap_1.c、heap_2.c 和 heap_4.c 这三种内存管理方案，内存堆实际 上是一个很大的数组，定义为 static uint8_t ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE]，而宏定义 configTOTAL_HEAP_SIZE 则表示系 统管理内存大小，单位为字，在 FreeRTOSConfig.h 中由用户设定。 对于 heap_3.c 这种内存管理方案，它封装了 C 标准库中的 malloc()和 free()函数，封装后的 malloc()和 free()函数具备保护，可以安全在嵌入式系 统中执行。因此，用户需要通过编译器或者启动文件设置堆空间。 heap_5.c 方案允许用户使用多个非连续内存堆空间，每个内存堆的起始地 址和大小由用户定义。这种应用其实还是很大的，比如做图形显示、GUI 等，可 能芯片内部的 RAM 是不够用户使用的，需要外部 SDRAM，那这种内存管理方案 则比较合适

12.2.1 heap_1 内存分配方法

heap_1 实现起来就是当需要 RAM 的时候就从一个大数组(内存堆)中分一 小块出来，大数组(内存堆)的容量为 configTOTAL_HEAP_SIZE，上面已经说了。 使用函数 xPortGetFreeHeapSize()可以获取内存堆中剩余内存大小。 heap_1 特性如下： 1、适用于那些一旦创建好任务、信号量和队列就再也不会删除的应用，实 际上大多数的 FreeRTOS 应用都是这样的。 2、具有可确定性(执行所花费的时间大多数都是一样的)，而且不会导致内 存碎片。 3、代码实现和内存分配过程都非常简单，内存是从一个静态数组中分配到 的，也就是适合于那些不需要动态内存分配的应用

12.2.2 heap_2 内存分配方法

heap_2 提供了一个更好的分配算法，不像 heap_1 那样，heap_2 提供了内存 释放函数。heap_2 不会把释放的内存块合并成一个大块，这样有一个缺点，随 着你不断的申请内存，内存堆就会被分为很多个大小不一的内存(块)，也就是会 导致内存碎片！heap_4 提供了空闲内存块合并的功能。 heap_2 的特性如下： 1、可以使用在那些可能会重复的删除任务、队列、信号量等的应用中，要 334 注意有内存碎片产生！ 2、如果分配和释放的内存 n 大小是随机的，那么就要慎重使用了，比如下 面的示例： ● 如果一个应用动态的创建和删除任务，而且任务需要分配的堆栈大小都 是一样的，那么 heap_2 就非常合适。如果任务所需的堆栈大小每次都是不同， 那么 heap_2 就不适合了，因为这样会导致内存碎片产生，最终导致任务分配不 到合适的堆栈！不过 heap_4 就很适合这种场景了。 ● 如果一个应用中所使用的队列存储区域每次都不同，那么 heap_2 就不 适合了，和上面一样，此时可以使用 heap_4。 ● 应用需要调用 pvPortMalloc()和 vPortFree()来申请和释放内存，而 不是通过 FreeRTOS 的其它 API 函数来间接的调用，这种情况下 heap_2 不适 合。 3、如果应用中的任务、队列、信号量和互斥信号量具有不可预料性(如所需 的内存大小不能确定，每次所需的内存都不相同，或者说大多数情况下所需的内 存都是不同的)的话可能会导致内存碎片。虽然这是小概率事件，但是还是要引 起我们的注意！ 4、具有不可确定性，但是也远比标准 C 中的 mallo()和 free()效率高！ heap_2 基本上可以适用于大多数的需要动态分配内存的工程中，而 heap_4 更是具有将内存碎片合并成一个大的空闲内存块(就是内存碎片回收)的功能

12.2.3 heap_3 内存分配方法

heap_3.c 方法只是简单的封装了标准 C 库中的 malloc()和 free()函数， 并且能满足常用的编译器。重新封装后的 malloc()和 free()函数具有保护功 能，采用的封装方式是操作内存前挂起调度器、完成后再恢复调度器。 heap_3.c 具有以下特点： 1、需要链接器设置一个堆，malloc()和 free()函数由编译器提供。 2、具有不确定性。 3、很可能增大 RTOS 内核的代码大小。 要注意的是在使用 heap_3.c 方案时，FreeRTOSConfig.h 文件中的 configTOTAL_HEAP_SIZE 宏定义不起作用。在 STM32 系列的工程中，这个由编 译器定义的堆都在启动文件里面设置，单位为字节，我们具体以 STM32F10x 系 列为例 ，具体如下。而其它系列的都差不多。

12.2.4. heap_4分配方法简介

heap_4 提供了一个最优的匹配算法，不像 heap_2，heap_4 会将内存碎片 合并成一个大的可用内存块，它提供了内存块合并算法。内存堆为 ucHeap[]， 大小同样为 configTOTAL_HEAP_SIZE。可以通过函数 xPortGetFreeHeapSize() 来获取剩余的内存大小。 heap_4 特性如下： 1、可以用在那些需要重复创建和删除任务、队列、信号量和互斥信号量等 的应用中。 2、不会像 heap_2 那样产生严重的内存碎片，即使分配的内存大小是随机 的。 3、具有不确定性，但是远比 C 标准库中的 malloc()和 free()效率高。 heap_4 非常适合于那些需要直接调用函数 pvPortMalloc()和 vPortFree() 来申请和释放内存的应用，注意，我们移植 FreeRTOS 的时候就选择的 heap_4。 heap_4 也使用链表结构来管理空闲内存块，链表结构体与 heap_2 一样。 heap_4 也定义了两个局部静态变量 xStart 和 pxEnd 来表示链表头和尾，其中 pxEnd 是指向 BlockLink_t 的指针

ps:（本次代码包括之前的都使用的是heap_4）

2.5 heap_5 内存分配方法

heap_5 使用了和 heap_4 相同的合并算法，内存管理实现起来基本相同， 359 但是 heap_5 允许内存堆跨越多个不连续的内存段。比如 STM32 的内部 RAM 可 以作为内存堆，但是 STM32 内部 RAM 比较小，遇到那些需要大容量 RAM 的应 用就不行了，如音视频处理。不过 STM32 可以外接 SRAM 甚至大容量的 SDRAM， 如果使用 heap_4 的话你就只能在内部 RAM 和外部 SRAM 或 SDRAM 之间二选 一了，使用 heap_5 的话就不存在这个问题，两个都可以一起作为内存堆来用。 如果使用 heap_5 的话，在调用 API 函数之前需要先调用函数 vPortDefineHeapRegions ()来对内存堆做初始化处理，在 vPortDefineHeapRegions()未执行完之前禁止调用任何可能会调用 pvPortMalloc()的 API 函数！比如创建任务、信号量、队列等函数。函数 vPortDefineHeapRegions()只有一个参数，参数是一个 HeapRegion_t 类型的数 组，HeapRegion 为一个结构体，此结构体在 portable.h 中有定义，定义如下：

typedef struct HeapRegion
{
    uint8_t *pucStartAddress; //内存块的起始地址
    size_t xSizeInBytes; //内存段大小
} HeapRegion_t;

上面说了，heap_5 允许内存堆跨越多个不连续的内存段，这些不连续的内 存段就是由结构体 HeapRegion_t 来定义的。比如以 STM32F103 开发板为例， 现在有 2 个内存段：内部 SRAM、外部 SRAM，起始分别为：0X20000000、 0x68000000，大小分别为：64KB、1MB，那么数组就如下：

HeapRegion_t xHeapRegions[] =
{
    { ( uint8_t * ) 0X20000000UL, 0x10000 },//内部 SRAM 内存，起始地址
    0X20000000,
    //大小为 64KB
    { ( uint8_t * ) 0X68000000UL, 0x100000},//外部 SRAM 内存，起始地址
    0x68000000，
    //大小为 1MB
    { NULL, 0 } //数组结尾
};

注意，数组中成员顺序按照地址从低到高的顺序排列，而且最后一个成员必 须使用 NULL。heap_5 允许内存堆不连续，说白了就是允许有多个内存堆。在 heap_2 和 heap_4 中只有一个内存堆，初始化的时候只也只需要处理一个内存 堆。 heap_5 有多个内存堆，这些内存堆会被连接在一起，和空闲内存块链表类 360 似，这个处理过程由函数 vPortDefineHeapRegions()完成。 使用 heap_5 的时候在一开始就应该先调用函数 vPortDefineHeapRegions() 完成内存堆的初始化！然后才能创建任务、信号量这些东西。 heap_5 的内存申请和释放函数和 heap_4 基本一样，这里就不详细讲解了， 大家可以对照着前面 heap_4 的相关内容来自行分析。 至此，FreeRTOS 官方提供的 5 种内存分配方法已经讲完了，heap_1 最简 单，但是只能申请内存，不能释放。heap_2 提供了内存释放函数，用户代码也 可以直接调用函数 pvPortMalloc()和 vPortFree()来申请和释放内存，但是 heap_2 会导致内存碎片的产生！heap_3 是对标准 C 库中的函数 malloc()和 free()的简单封装，并且提供了线程保护。heap_4 相对与 heap_2 提供了内存 合并功能，可以降低内存碎片的产生，我们移植 FreeRTOS 的时候就选择了 heap_4。heap_5 基本上和 heap_4 一样，只是 heap_5 支持内存堆使用不连续 的内存块。

3.整体代码

#include "system.h"
#include "SysTick.h"
#include "led.h"
#include "usart.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "key.h"
#include "limits.h"

//任务优先级
#define START_TASK_PRIO        1
//任务堆栈大小    
#define START_STK_SIZE         128  
//任务句柄
TaskHandle_t StartTask_Handler;
//任务函数
void start_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define LED1_TASK_PRIO        2
//任务堆栈大小    
#define LED1_STK_SIZE         50  
//任务句柄
TaskHandle_t LED1Task_Handler;
//任务函数
void led1_task(void *pvParameters);


//任务优先级
#define KEY_TASK_PRIO        4
//任务堆栈大小    
#define KEY_STK_SIZE         512  
//任务句柄
TaskHandle_t KEYTask_Handler;
//任务函数
void key_task(void *pvParameters);


uint8_t *Test_Ptr = NULL;


/*******************************************************************************
* 函 数 名         : main
* 函数功能           : 主函数
* 输    入         : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
int main()
{
    SysTick_Init(72);
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);//设置系统中断优先级分组4
    LED_Init();
    KEY_Init();
    USART1_Init(115200);
    printf("FreeRTOS内存管理实验\r\n");
    printf("按下KEY1申请内存，按下KEY2释放内存\n");
    //创建开始任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            //任务函数
                (const char*    )"start_task",          //任务名称
                (uint16_t       )START_STK_SIZE,        //任务堆栈大小
                (void*          )NULL,                  //传递给任务函数的参数
                (UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       //任务优先级
                (TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   //任务句柄              
    vTaskStartScheduler();          //开启任务调度
}

//开始任务任务函数
void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区
                             
    //创建LED1任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )led1_task,     
                (const char*    )"led1_task",   
                (uint16_t       )LED1_STK_SIZE, 
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )LED1_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&LED1Task_Handler); 
    
    //创建KEY任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )key_task,     
                (const char*    )"key_task",   
                (uint16_t       )KEY_STK_SIZE, 
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )KEY_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&KEYTask_Handler);
    
    vTaskDelete(StartTask_Handler); //删除开始任务
    taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
} 

//LED1任务函数
void led1_task(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
        LED1=0;
        vTaskDelay(200);
        LED1=1;
        vTaskDelay(800);
    }
}

//KEY任务函数
void key_task(void *pvParameters)
{
    u8 key=0;
    uint32_t g_memsize;
    
    while(1)
    {
        key=KEY_Scan(0);
        if(key==KEY1_PRESS)
        {
            if(NULL == Test_Ptr)
            {
                /* 获取当前内存大小 */
                g_memsize = xPortGetFreeHeapSize();
                printf("系统当前内存大小为 %d 字节，开始申请内存\n",g_memsize);
                Test_Ptr = pvPortMalloc(1024);
                if(NULL != Test_Ptr)
                {
                    printf("内存申请成功\n");
                    printf("申请到的内存地址为%#x\n",(int)Test_Ptr);

                    /* 获取当前内剩余存大小 */
                    g_memsize = xPortGetFreeHeapSize();
                    printf("系统当前内存剩余存大小为 %d 字节\n",g_memsize);
                          
                    //向Test_Ptr中写入当数据:当前系统时间
                    sprintf((char*)Test_Ptr,"当前系统TickCount = %d \n",xTaskGetTickCount());
                    printf("写入的数据是 %s \n",(char*)Test_Ptr);
                }
            }
            else
                printf("请先按下KEY2释放内存再申请\n");
        }
        
        if(key==KEY2_PRESS)
        {
            if(NULL != Test_Ptr)
            {
                printf("释放内存\n");
                vPortFree(Test_Ptr);//释放内存
                Test_Ptr=NULL;
                /* 获取当前内剩余存大小 */
                g_memsize = xPortGetFreeHeapSize();
                printf("系统当前内存大小为 %d 字节，内存释放完成\n",g_memsize);
            }
            else
                printf("请先按下KEY1申请内存再释放\n");
        }
        vTaskDelay(20);
    }
}