1# 物理内存管理 2 3 4## 基本概念 5 6物理内存是计算机上最重要的资源之一，指的是实际的内存设备提供的、可以通过CPU总线直接进行寻址的内存空间，其主要作用是为操作系统及程序提供临时存储空间。LiteOS-A内核管理物理内存是通过分页实现的，除了内核堆占用的一部分内存外，其余可用内存均以4KiB为单位划分成页帧，内存分配和内存回收便是以页帧为单位进行操作。内核采用伙伴算法管理空闲页面，可以降低一定的内存碎片率，提高内存分配和释放的效率，但是一个很小的块往往也会阻塞一个大块的合并，导致不能分配较大的内存块。 7 8 9## 运行机制 10 11如下图所示，LiteOS-A内核的物理内存使用分布视图，主要由内核镜像、内核堆及物理页组成。内核堆部分见堆内存管理一节。 12 13 **图1** 物理内存使用分布图 14 15  16 17伙伴算法把所有空闲页帧分成9个内存块组，每组中内存块包含2的幂次方个页帧，例如：第0组的内存块包含2的0次方个页帧，即1个页帧；第8组的内存块包含2的8次方个页帧，即256个页帧。相同大小的内存块挂在同一个链表上进行管理。 18 19- 申请内存 20 系统申请12KiB内存，即3个页帧时，9个内存块组中索引为3的链表挂着一块大小为8个页帧的内存块满足要求，分配出12KiB内存后还剩余20KiB内存，即5个页帧，将5个页帧分成2的幂次方之和，即4跟1，尝试查找伙伴进行合并。4个页帧的内存块没有伙伴则直接插到索引为2的链表上，继续查找1个页帧的内存块是否有伙伴，索引为0的链表上此时有1个，如果两个内存块地址连续则进行合并，并将内存块挂到索引为1的链表上，否则不做处理。 21 22 **图2** 内存申请示意图 23 24  25 26- 释放内存 27 系统释放12KiB内存，即3个页帧，将3个页帧分成2的幂次方之和，即2跟1，尝试查找伙伴进行合并，索引为1的链表上有1个内存块，若地址连续则合并，并将合并后的内存块挂到索引为2的链表上，索引为0的链表上此时也有1个，如果地址连续则进行合并，并将合并后的内存块挂到索引为1的链表上，此时继续判断是否有伙伴，重复上述操作。 28 29 **图3** 内存释放示意图 30 31  32 33 34## 开发指导 35 36 37### 接口说明 38 39 **表1** 物理内存管理模块接口 40 41| 功能分类 | 接口描述 | 42| -------- | -------- | 43| 申请物理内存 | - LOS_PhysPageAlloc：申请一个物理页<br/>- LOS_PhysPagesAlloc：申请物理页并挂在对应的链表上<br/>- LOS_PhysPagesAllocContiguous：申请多页地址连续的物理内存 | 44| 释放物理内存 | - LOS_PhysPageFree：释放一个物理页<br/>- LOS_PhysPagesFree：释放挂在链表上的物理页<br/>- LOS_PhysPagesFreeContiguous：释放多页地址连续的物理内存 | 45| 查询地址 | - LOS_VmPageGet：根据物理地址获取其对应的物理页结构体指针<br/>- LOS_PaddrToKVaddr：根据物理地址获取其对应的内核虚拟地址 | 46 47 48### 开发流程 49 50内存申请时根据需要调用相关接口，小内存申请建议使用堆内存申请相关接口，4KiB及以上内存申请可以使用上述物理内存相关接口。 51 52>  **说明：** 53> - 物理内存申请相关接口需要在OsSysMemInit接口完成初始化之后再使用； 54> 55> - 内存申请的基本单位是页帧，即4KiB； 56> 57> - 物理内存申请时，有地址连续要求的使用LOS_PhysPagesAllocContiguous接口，无地址连续的要求尽量使用LOS_PhysPagesAlloc接口，将连续的大块内存留给有需要的模块使用。 58 59 60### 编程实例 61 62编程示例主要是调用申请、释放接口对内存进行操作，包括申请一个页以及多个页的示例。 63 64 65``` 66#include "los_vm_phys.h" 67 68#define PHYS_PAGE_SIZE 0x4000 69 70// 申请一个页 71VOID OsPhysPagesAllocTest3(VOID) 72{ 73 PADDR_T newPaddr; 74 VOID *kvaddr = NULL; 75 LosVmPage *newPage = NULL; 76 77 newPage = LOS_PhysPageAlloc(); 78 if (newPage == NULL) { 79 printf("LOS_PhysPageAlloc fail\n"); 80 return; 81 } 82 printf("LOS_PhysPageAlloc success\n"); 83 84 newPaddr = VM_PAGE_TO_PHYS(newPage); 85 kvaddr = OsVmPageToVaddr(newPage); 86 87 // Handle the physical memory 88 89 // Free the physical memory 90 LOS_PhysPageFree(newPage); 91} 92 93// 申请多个页，不要求连续 94VOID OsPhysPagesAllocTest2(VOID) 95{ 96 UINT32 sizeCount; 97 UINT32 count; 98 UINT32 size = PHYS_PAGE_SIZE; 99 LosVmPage *vmPageArray[PHYS_PAGE_SIZE >> PAGE_SHIFT] = { NULL }; 100 UINT32 i = 0; 101 LosVmPage *vmPage = NULL; 102 PADDR_T pa; 103 104 size = LOS_Align(size, PAGE_SIZE); 105 if (size == 0) { 106 return; 107 } 108 sizeCount = size >> PAGE_SHIFT; 109 110 LOS_DL_LIST_HEAD(pageList); 111 112 count = LOS_PhysPagesAlloc(sizeCount, &pageList); 113 if (count < sizeCount) { 114 printf("failed to allocate enough pages (ask %zu, got %zu)\n", sizeCount, count); 115 goto ERROR; 116 } 117 printf("LOS_PhysPagesAlloc success\n"); 118 while ((vmPage = LOS_ListRemoveHeadType(&pageList, LosVmPage, node))) { 119 pa = vmPage->physAddr; 120 vmPageArray[i++] = vmPage; 121 // Handle the physical memory 122 } 123 124 // Free the physical memory 125 for (i = 0; i < sizeCount; ++i) { 126 LOS_PhysPageFree(vmPageArray[i]); 127 } 128 129 return; 130 131ERROR: 132 (VOID)LOS_PhysPagesFree(&pageList); 133} 134 135// 申请多个连续页 136VOID OsPhysPagesAllocTest1(VOID) 137{ 138 VOID *ptr = NULL; 139 LosVmPage *page = NULL; 140 UINT32 size = PHYS_PAGE_SIZE; 141 142 ptr = LOS_PhysPagesAllocContiguous(ROUNDUP(size, PAGE_SIZE) >> PAGE_SHIFT); 143 if (ptr == NULL) { 144 printf("LOS_PhysPagesAllocContiguous fail\n"); 145 return; 146 } 147 148 printf("LOS_PhysPagesAllocContiguous success\n"); 149 150 // Handle the physical memory 151 152 // Free the physical memory 153 page = OsVmVaddrToPage((VOID *)ptr); 154 LOS_PhysPagesFreeContiguous((VOID *)ptr, size >> PAGE_SHIFT); 155} 156 157UINT32 ExamplePhyMemCaseEntry(VOID) 158{ 159 OsPhysPagesAllocTest1(); 160 OsPhysPagesAllocTest2(); 161 OsPhysPagesAllocTest3(); 162 return LOS_OK; 163} 164``` 165 166 167### 结果验证 168 169编译运行得到的结果为： 170 171 172``` 173LOS_PhysPagesAllocContiguous success 174LOS_PhysPagesAlloc success 175LOS_PhysPageAlloc success 176``` 177
