【STM32】使用SDIO进行SD卡读写，包含文件管理FatFs（八）-认识内存管理

首先说明一下，为何要介绍内存管理

在SD卡的读取中，你并不知道对方到底存了多少文件？文件名的长度又是多少？

文件个数先暂定100个额度吧，文件名长度先默认长文件名255字节

那么你要申请数组来记录，u8 file_name[100][255];

这样你就已经花掉25.5K的内存了，但你又保证，100个额度，绝对够用吗？

1000个额度？那就需要255K的内存了。。。

先看一下我使用的这颗芯片（本篇中提到芯片这个字样，并且没有明确说是哪个型号时，指的是我使用的这颗，也就是下图STM32F405RGT6）

RAM只有192K，还比255K小，这时候，就体现内存管理的作用了，当然，这里先不谈外部扩展的事情

芯片内部有三个内存，分别是SRAM1、SRAM2、CCM，如下图2显示

下图1红框：64K的CCM，是包含在192+4K里面的

CCM（core coupled memory）（核心耦合存储器）：理论上是最快的，但是它只能被CPU访问，像其他外设（DMA、以太、USB），都无法访问

接着来讲一下【分块式内存管理】的原理

它是由内存池和内存管理表两个部分组成的

里面有n个内存块

每个内存块，对应内存管理表的一项

项值为0，代表对应的内存块未被使用

而项值为非0，里面的数值代表被连续占用的内存块数

分配内存时，先给一个参数m（此参数表示需要多少内存块）

然后从第n项开始，向下查找，直到发现m块连续的空内存

把这些连续的空内存，项值都设置成m

最终在把这些空内存块的地址返回（谁申请内存的就返回给谁）

由于我使用的是正点原子的探索者开发板，这里先提取两个文件《malloc.c》《malloc.h》

里面有封装好的函数，只要了解一些宏定义，和一些其他的设置即可

malloc.c

#include "malloc.h"	   

//内存池(32字节对齐)
__align(32) u8 mem1base[MEM1_MAX_SIZE];					//内部SRAM内存池
__align(32) u8 mem2base[MEM2_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X68000000)));	//外部SRAM内存池，attribute修饰，指向0x68000000首地址
__align(32) u8 mem3base[MEM3_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X10000000)));	//内部CCM内存池，attribute修饰，指向0x10000000首地址
//内存管理表
u16 mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE];							//内部SRAM内存池MAP
u16 mem2mapbase[MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(0X68000000+MEM2_MAX_SIZE)));	//外部SRAM内存池MAP
u16 mem3mapbase[MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE] __attribute__((at(0X10000000+MEM3_MAX_SIZE)));	//内部CCM内存池MAP
//内存管理参数	   
const u32 memtblsize[SRAMBANK]={MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE,MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE,MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE};	//内存表大小
const u32 memblksize[SRAMBANK]={MEM1_BLOCK_SIZE,MEM2_BLOCK_SIZE,MEM3_BLOCK_SIZE};			//内存分块大小
const u32 memsize[SRAMBANK]={MEM1_MAX_SIZE,MEM2_MAX_SIZE,MEM3_MAX_SIZE};				//内存总大小


//内存管理控制器
struct _m_mallco_dev mallco_dev=
{
	my_mem_init,						//内存初始化
	my_mem_perused,						//内存使用率
	mem1base,mem2base,mem3base,			//内存池
	mem1mapbase,mem2mapbase,mem3mapbase,//内存管理状态表
	0,0,0,  		 				//内存管理未就绪
};

//复制内存
//*des:目的地址
//*src:源地址
//n:需要复制的内存长度(字节为单位)
void mymemcpy(void *des,void *src,u32 n)  
{  
    u8 *xdes=des;
	u8 *xsrc=src; 
    while(n--)*xdes++=*xsrc++;  
}  
//设置内存
//*s:内存首地址
//c :要设置的值
//count:需要设置的内存大小(字节为单位)
void mymemset(void *s,u8 c,u32 count)  
{  
    u8 *xs = s;  
    while(count--)*xs++=c;  
}	   
//内存管理初始化  
//memx:所属内存块
void my_mem_init(u8 memx)  
{  
    mymemset(mallco_dev.memmap[memx], 0,memtblsize[memx]*2);//内存状态表数据清零  
	mymemset(mallco_dev.membase[memx], 0,memsize[memx]);	//内存池所有数据清零  
	mallco_dev.memrdy[memx]=1;				//内存管理初始化OK  
}  
//获取内存使用率
//memx:所属内存块
//返回值:使用率(0~100)
u8 my_mem_perused(u8 memx)  
{  
    u32 used=0;  
    u32 i;  
    for(i=0;i<memtblsize[memx];i++)  
    {  
        if(mallco_dev.memmap[memx][i])used++; 
    } 
    return (used*100)/(memtblsize[memx]);  
}  
//内存分配(内部调用)
//memx:所属内存块
//size:要分配的内存大小(字节)
//返回值:0XFFFFFFFF,代表错误;其他,内存偏移地址 
u32 my_mem_malloc(u8 memx,u32 size)  
{  
    signed long offset=0;  
    u32 nmemb;	//需要的内存块数  
	u32 cmemb=0;//连续空内存块数
    u32 i;  
    if(!mallco_dev.memrdy[memx])mallco_dev.init(memx);//未初始化,先执行初始化 
    if(size==0)return 0XFFFFFFFF;//不需要分配
    nmemb=size/memblksize[memx];  	//获取需要分配的连续内存块数
    if(size%memblksize[memx])nmemb++;  
    for(offset=memtblsize[memx]-1;offset>=0;offset--)//搜索整个内存控制区  
    {     
		if(!mallco_dev.memmap[memx][offset])cmemb++;//连续空内存块数增加
		else cmemb=0;				//连续内存块清零
		if(cmemb==nmemb)			//找到了连续nmemb个空内存块
		{
            for(i=0;i<nmemb;i++)  					//标注内存块非空 
            {  
                mallco_dev.memmap[memx][offset+i]=nmemb;  
            }  
            return (offset*memblksize[memx]);//返回偏移地址  
		}
    }  
    return 0XFFFFFFFF;//未找到符合分配条件的内存块  
}  
//释放内存(内部调用) 
//memx:所属内存块
//offset:内存地址偏移
//返回值:0,释放成功;1,释放失败;  
u8 my_mem_free(u8 memx,u32 offset)  
{  
    int i;  
    if(!mallco_dev.memrdy[memx])//未初始化,先执行初始化
	{
		mallco_dev.init(memx);    
        return 1;//未初始化  
    }  
    if(offset<memsize[memx])//偏移在内存池内. 
    {  
        int index=offset/memblksize[memx];			//偏移所在内存块号码  
        int nmemb=mallco_dev.memmap[memx][index];	//内存块数量
        for(i=0;i<nmemb;i++)  				//内存块清零
        {  
            mallco_dev.memmap[memx][index+i]=0;  
        }  
        return 0;  
    }else return 2;//偏移超区了.  
}  
//释放内存(外部调用) 
//memx:所属内存块
//ptr:内存首地址 
void myfree(u8 memx,void *ptr)  
{  
	u32 offset;   
	if(ptr==NULL)return;//地址为0.  
 	offset=(u32)ptr-(u32)mallco_dev.membase[memx];     
    my_mem_free(memx,offset);	//释放内存      
}  
//分配内存(外部调用)
//memx:所属内存块
//size:内存大小(字节)
//返回值:分配到的内存首地址.
void *mymalloc(u8 memx,u32 size)  
{  
    u32 offset;   
	offset=my_mem_malloc(memx,size);  	   	 	   
    if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL;  
    else return (void*)((u32)mallco_dev.membase[memx]+offset);  
}  
//重新分配内存(外部调用)
//memx:所属内存块
//*ptr:旧内存首地址
//size:要分配的内存大小(字节)
//返回值:新分配到的内存首地址.
void *myrealloc(u8 memx,void *ptr,u32 size)  
{  
    u32 offset;    
    offset=my_mem_malloc(memx,size);   	
    if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL;     
    else  
    {  									   
	    mymemcpy((void*)((u32)mallco_dev.membase[memx]+offset),ptr,size);	//拷贝旧内存内容到新内存   
        myfree(memx,ptr);  								//释放旧内存
        return (void*)((u32)mallco_dev.membase[memx]+offset);  				//返回新内存首地址
    }  
}

malloc.h

#ifndef __MALLOC_H
#define __MALLOC_H
#include "stm32f4xx.h"

 
#ifndef NULL
#define NULL 0
#endif

//定义三个内存池
#define SRAMIN	 0		//内部内存池
#define SRAMEX   1		//外部内存池
#define SRAMCCM  2		//CCM内存池(此部分SRAM仅仅CPU可以访问!!!)


#define SRAMBANK 	3	//定义支持的SRAM块数.	


//mem1内存参数设定.mem1完全处于内部SRAM里面.
#define MEM1_BLOCK_SIZE			32  	  						//内存块大小为32字节
#define MEM1_MAX_SIZE			100*1024  						//最大管理内存 100K
#define MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE	MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE 	//内存管理表大小

//mem2内存参数设定.mem2的内存池处于外部SRAM里面
#define MEM2_BLOCK_SIZE			32  	  						//内存块大小为32字节
#define MEM2_MAX_SIZE			960 *1024  						//最大管理内存960K
#define MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE	MEM2_MAX_SIZE/MEM2_BLOCK_SIZE 	//内存管理表大小
		 
//mem3内存参数设定.mem3处于CCM,用于管理CCM(特别注意,这部分SRAM,仅CPU可以访问!!)
#define MEM3_BLOCK_SIZE			32  	  						//内存块大小为32字节
#define MEM3_MAX_SIZE			60 *1024  						//最大管理内存60K
#define MEM3_ALLOC_TABLE_SIZE	MEM3_MAX_SIZE/MEM3_BLOCK_SIZE 	//内存管理表大小
		 


//内存管理控制器
struct _m_mallco_dev
{
	void (*init)(u8);					//初始化
	u8 (*perused)(u8);		  	    	//内存使用率
	u8 	*membase[SRAMBANK];				//内存池 管理SRAMBANK个区域的内存
	u16 *memmap[SRAMBANK]; 				//内存管理状态表
	u8  memrdy[SRAMBANK]; 				//内存管理是否就绪
};
extern struct _m_mallco_dev mallco_dev;	 //在mallco.c里面定义

void mymemset(void *s,u8 c,u32 count);	//设置内存
void mymemcpy(void *des,void *src,u32 n);//复制内存     
void my_mem_init(u8 memx);				//内存管理初始化函数(外/内部调用)
u32 my_mem_malloc(u8 memx,u32 size);	//内存分配(内部调用)
u8 my_mem_free(u8 memx,u32 offset);		//内存释放(内部调用)
u8 my_mem_perused(u8 memx);				//获得内存使用率(外/内部调用) 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//用户调用函数
void myfree(u8 memx,void *ptr);  			//内存释放(外部调用)
void *mymalloc(u8 memx,u32 size);			//内存分配(外部调用)
void *myrealloc(u8 memx,void *ptr,u32 size);//重新分配内存(外部调用)
#endif

在头文件《malloc.h》里

首先看到三个宏定义《SRAMIN》《SRAMEX》《SRAMCCM》

这几个的说明，在注释里已经写的很清楚了

探索者开发板还扩充外部（extern）的SRAM，所以宏定义命名为SRAMEX吧？

再加上内部SRAM和CCM，总共就有3个内存池了

下方一点的宏定义《SRAMBANK》，因为有3个内存池，这里就设置为3

紧接着的是三个区域的宏定义，《mem1》《mem2》《mem3》

这三个也就是对应上方的《内部SRAM》《外部SRAM》《CCM》

里面除了内存管理表大小的宏定义不要改以外，其余两个看各位的需求

额外提一点，假设像宏定义《MEM1_MAX_SIZE》一样，设置了100K的内存

这里可是实打实的100K，虽然内存管理表也会占用到内存，但并不在这100K内

它还会额外占 MEM1_MAX_SIZE * 2 个字节的空间

乘2是因为，它是u16类型的

然后来看源文件《malloc.c》

最上方定义了《内存池》《内存管理表》《内存管理参数》

首先是内存池，直接看【__align(32) u8 mem3base[MEM3_MAX_SIZE] __attribute__((at(0X10000000)));】

__align是字节对齐，这作法能让CPU更快的访问变量

attribute是修饰，指向的是CCM的首地址0x10000000，下面会放图

这里说一下，因为我还没研究正点原子开发板上，外部扩展的是什么元件，导致我不知道0x68000000这首地址是如何来的

先看下面这图，了解一下CCM的首地址吧，毕竟它是STM32F4的内存，datasheet里面都说的很清楚了

源文件《malloc.c》剩下两个定义《内存管理表》《内存管理参数》，也没什么好说的，设置好这些，等着下方的封装函数来调用吧

而这些封装好的函数，我们只要看四个函数即可

1.《my_mem_init》初始化指定的内存池

2.《mymalloc》申请内存

3.《myfree》释放内存

4.《my_mem_perused》查看内存使用率

本章就先到这里了，下一章要回头处理FatFs文件管理的后续（读取SD卡内的文件）