2.2 嵌入式系统内存管理

在嵌入式开发，特别是实时操作系统（RTOS）的领域中，内存管理是一项基础且关键的工作。它不像上层应用开发那样拥有近乎无限的资源，而是需要在有限的硬件上，通过精妙的规划，确保每一个字节都得到高效、稳定且可预测的利用。

🗂️ 内存分配与回收策略

程序中的变量和数据需要安放在内存中，其存放方式直接决定了系统的实时性和稳定性。

静态 / 自动分配：栈上的秩序

函数内部的局部变量，其内存通常在 栈 (Stack) 上分配。

可以把栈想象成一摞叠放整齐的盘子。当一个函数被调用时，它的环境信息（局部变量、返回地址等）被打包成一个 “帧”（Stack Frame），并像一个新盘子一样，被放置在栈的顶部。当函数返回时，这个 “盘子” 被完整地从顶部移走。整个过程遵循 “后进先出”（LIFO）的原则。

• 优点：由编译器自动管理，分配和回收速度极快，时间开销恒定，行为高度可预测。这对于 RTOS 的确定性要求来说是理想的。
• 缺点：大小和生命周期是固定的。所有变量的大小必须在编译时确定，且其生命周期与函数绑定，函数一结束，内存即被回收。

动态分配：堆上的权衡

当需要在运行时申请大小或生命周期不定的内存时，就需要使用 堆 (Heap)。

堆可以看作一块待自由规划的内存 “原材料”。程序通过 malloc() 或 new 等函数从中申请一块指定大小的内存。这块内存的生命周期独立于任何函数，必须由程序员通过 free() 或 delete 手动释放。

• 优点：提供了极大的灵活性，可以按需分配，突破了栈内存的限制。
• 缺点：在 RTOS 中，使用堆内存需要非常谨慎。
  • 执行时间不确定： malloc() 和 free() 的执行时间不是恒定的。在复杂的内存状态下，寻找合适的内存块或合并碎片可能会花费不可预测的时间，这会破坏任务的实时性。
  • 内存碎片 (Memory Fragmentation)：长期运行后，反复的分配和释放会导致堆中充满了不连续的小块空闲内存。这可能导致后续即使总空闲内存充足，也无法分配出较大的连续块。
  • 内存泄漏 (Memory Leak)：忘记释放不再使用的内存是常见的编程错误，在需要长期稳定运行的嵌入式设备中，这会逐渐耗尽系统资源，最终导致系统崩溃。

因此，许多高可靠性的 RTOS 项目会限制或完全避免使用标准 C 库的动态内存分配，转而使用内存池（Memory Pool）等具有确定性行为的专有分配方案。

🛡️ 内存保护机制：任务的 “安全沙箱”

在多任务的 RTOS 中，各个任务并发执行。如果没有保护机制，一个任务中的指针错误就可能破坏其他任务甚至内核的数据，引发连锁反应。内存保护机制（MPU/MMU）就是用于构建任务 “安全沙箱” 的硬件基础。

MPU：RTOS 的轻量级卫士

内存保护单元 (Memory Protection Unit, MPU) 是大多数 RTOS 所依赖的核心保护机制，尤其是在 ARM Cortex-M 系列这类微控制器上。

MPU 不进行复杂的地址翻译，它将内存划分为若干个（通常是 8 或 16 个）可配置的 “区域”（Region）。操作系统可以为每个区域设置独立的访问权限（如只读、可读写、禁止执行）。在进行 RTOS 任务切换时，内核会为即将运行的任务配置一套专属的 MPU 规则，将其能访问的内存严格限制在预设的区域内。任何越界访问都会立即触发硬件异常，由内核捕获。这是一种开销很小但行之有效的隔离手段。

MMU：功能更强的重量级方案

内存管理单元 (Memory Management Unit, MMU) 是功能更强大的硬件，常见于运行嵌入式 Linux 等大型操作系统的应用处理器上。

MMU 以页（Page）为单位，对内存进行更精细的划分和管理。它不仅提供保护，更核心的功能是支持虚拟内存，这使得它的工作机制比 MPU 复杂得多，硬件和软件开销也更大。对于追求低延迟和高确定性的传统 RTOS 来说，MMU 的复杂性往往是不必要的。

🌌 虚拟内存：RTOS 之外的世界

虚拟内存技术是构建在 MMU 之上的高级内存管理方案，它为每个进程提供了一个独立的、巨大的、连续的虚拟地址空间。

实现与代价

程序使用的是虚拟地址，由 MMU 在运行时 “翻译” 成实际的物理地址。这项技术可以从根本上隔离进程，并能通过将不常用的内存页换出到磁盘来高效利用物理内存。

然而，这种 “翻译” 过程本身需要时间。更重要的是，当程序访问一个被换出到磁盘的页时，会触发缺页中断 (Page Fault)，系统需要暂停当前任务，从慢速的存储设备中加载数据回内存。这个加载时间可能长达毫秒级且高度不确定，这对于硬实时系统的微秒级响应要求是不可接受的。

在嵌入式领域的定位

正因如此，绝大多数 RTOS 都不会使用虚拟内存。它们的立身之本就是 “实时” 与 “确定”，而这恰恰是虚拟内存所不能保证的。

虚拟内存技术主要应用于嵌入式 Linux、Android 等对实时性要求不那么苛刻，但需要运行复杂应用、多进程隔离和更高灵活性的 “软实时” 或非实时嵌入式系统中。在这些系统中，可以通过内存锁定（m-lock）等方法，将实时任务所需的内存页强制固定在物理内存中，作为一种兼顾虚拟内存优势与部分实时性需求的折中方案。