FreeRTOS（动态内存管理）

资料来源于硬件家园：资料汇总 - FreeRTOS实时操作系统课程(多任务管理)

目录

一、动态内存管理介绍

1、heap_1

2、heap_2

3、heap_3

4、heap_4

5、heap_5

二、动态内存总结与应用

1、heap_1

2、heap_4

3、heap_5

三、内存管理编程测试

1、heap_4

2、heap_1

3、heap_5

一、动态内存管理介绍

动态内存管理是 FreeRTOS 非常重要的一项功能，前面章节讲解的任务创建、信号量、消息队列、事件标志组、互斥信号量、软件定时器组等需要的 RAM 空间都是通过动态内存管理从 FreeRTOSConfig.h 文件定义的 heap 空间中申请的。

FreeRTOS 支持 5 种动态内存管理方案，分别通过文件 heap_1，heap_2，heap_3，heap_4 和 heap_5实现。

1、heap_1

heap_1 动态内存管理方式是五种动态内存管理方式中最简单的，这种方式的动态内存管理一旦申请了相应内存后，是不允许被释放的。

尽管如此，这种方式的动态内存管理还是满足大部分嵌入式应用的，因为这种嵌入式应用在系统启动阶段就完成了任务创建、事件标志组、信号量、消息队列等资源的创建，而且这些资源是整个嵌入式应用过程中一直要使用的，所以也就不需要删除，不需要释放内存。

2、heap_2

与 heap_1 动态内存管理方式不同，heap_2 动态内存管理利用了最适应算法，并且支持内存释放。但是 heap_2 不支持内存碎片整理，动态内存管理方式heap_4 支持内存碎片整理。

3、heap_3

这种方式实现的动态内存管理是对编译器提供的 malloc 和 free 函数进行了封装，保证是线程安全的。

4、heap_4

与 heap_2 动态内存管理方式不同，heap_4 动态内存管理利用了最适应算法，且支持内存碎片的回收并将其整理为一个大的内存块。

5、heap_5

有时候我们希望 FreeRTOSConfig.h 文件中定义的 heap 空间可以采用不连续的内存区，比如我们希望可以将其定义在内部 SRAM 一部分，外部 SRAM 一部分，此时我们就可以采用 heap_5 动态内存管理方式。另外，heap_5 动态内存管理是在 heap_4 的基础上实现的。

二、动态内存总结与应用

五种动态内存管理方式简单总结如下，实际项目中，用户根据需要选择合适的：

heap_1：五种方式里面最简单的，但是申请的内存不允许释放

heap_2：支持动态内存的申请和释放，但是不支持内存碎片的处理

heap_3：将编译器自带的 malloc 和 free 函数进行简单的封装

heap_4：支持动态内存的申请和释放，支持内存碎片处理

heap_5：在 heap_4 的基础上支持将动态内存设置在不连续的区域上

1、heap_1

FreeRTOS 的动态内存大小在 FreeRTOSConfig.h 文件中进行了定义：

#define configTOTAL_HEAP_SIZE  ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) ) //单位字节

用户通过函数 xPortGetFreeHeapSize 就能获得 FreeRTOS 动态内存的剩余，进而可以根据剩余情况优化动态内存的大小。

heap_1 方式的动态内存管理有以下特点：

① 项目应用不需要删除任务、信号量、消息队列等已经创建的资源。

② 具有时间确定性，即申请动态内存的时间是固定的并且不会产生内存碎片。

③ 确切的说这是一种静态内存分配，因为申请的内存是不允许被释放掉的。

2、heap_4

FreeRTOS 的动态内存大小在 FreeRTOSConfig.h 文件中进行了定义：

#define configTOTAL_HEAP_SIZE  ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) ) //单位字节

用户通过函数 xPortGetFreeHeapSize 就能获得 FreeRTOS 动态内存的剩余，但是不提供动态内存是如何被分配成各个小内存块的信息。使用函数 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize 能够获取从系统启动到当前时刻的动态内存最小剩余，从而用户就可以根据剩余情况优化动态内存的大小。

heap_4 方式的动态内存管理有以下特点：

① 可以用于需要重复的创建和删任务、信号量、事件标志组、软件定时器等内部资源的场合。

② 随机的调用 pvPortMalloc() 和 vPortFree()，且每次申请的大小都不同，也不会像 heap_2 那样产生很多的内存碎片。

③ 不具有时间确定性，即申请动态内存的时间不是确定的

3、heap_5

heap_5 动态内存管理是通过函数 vPortDefineHeapRegions 进行初始化的，也就是说用户在创建任务 FreeRTOS 的内部资源前要优先级调用这个函数 vPortDefineHeapRegions，否则是无法通过函数pvPortMalloc 申请到动态内存的。

函数 vPortDefineHeapRegions 定义不同段的内存空间采用了下面这种结构体：

定义的时候要注意两个问题，一个是内存段结束时要定义 NULL。另一个是内存段的地址是从低地址到高地址排列。

用户通过函数 xPortGetFreeHeapSize 就能获得 FreeRTOS 动态内存的剩余，但是不提供动态内存是如何被分配成各个小内存块的信息。使用函数 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize 能够获取从系统启动到当前时刻的动态内存最小剩余，从而用户就可以根据剩余情况优化动态内存的大小。

三、内存管理编程测试

分别测试heap_4，heap_1与heap_5。

1、heap_4

	  if(KeyCode==KEY0){sprintf(buff,"当前剩余动态内存大小 %u Bytes\r\n",xPortGetFreeHeapSize());HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)buff,strlen(buff), HAL_MAX_DELAY);sprintf(buff,"系统启动至当前时刻的动态内存最小剩余 %u Bytes\r\n",xPortGetMinimumEverFreeHeapSize());HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)buff,strlen(buff), HAL_MAX_DELAY);}

输出内存信息：

2、heap_1

	  if(KeyCode==KEY0){sprintf(buff,"当前剩余动态内存大小 %u Bytes\r\n",xPortGetFreeHeapSize());HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)buff,strlen(buff), HAL_MAX_DELAY);//sprintf(buff,"系统启动至当前时刻的动态内存最小剩余 %u Bytes\r\n",xPortGetMinimumEverFreeHeapSize());//HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)buff,strlen(buff), HAL_MAX_DELAY);}

 

如果调用vPortFree()函数释放内存，系统会死机，heap_1内存管理方案不支持内存释放，导致死机，

3、heap_5

定义内存区域：

  /* USER CODE BEGIN Init */HeapRegion_t xHeapRegions[]={{(uint8_t*)0x2000B000UL,0x1400},//5K{(uint8_t*)0x2000D800UL,0x2800},//10K{NULL,0}};vPortDefineHeapRegions(xHeapRegions);/* USER CODE END Init */

	  if(KeyCode==KEY0){sprintf(buff,"当前剩余动态内存大小 %u Bytes\r\n",xPortGetFreeHeapSize());HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)buff,strlen(buff), HAL_MAX_DELAY);sprintf(buff,"系统启动至当前时刻的动态内存最小剩余 %u Bytes\r\n",xPortGetMinimumEverFreeHeapSize());HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)buff,strlen(buff), HAL_MAX_DELAY);}

输出内存信息：