WinCE线程和内存管理之内存管理-AET-电子技术应用

内存管理

　　同其它Windows操作系统一样，Windows CE.NET也支持32位虚拟内存机制、按需分配内存和内存映射文件等。但是与其它Windows操作系统又有明显的不同。

WinCE线程和内存管理之内存管理图片2" height="1" width="1" /> 毕竟Windows CE是一种嵌入式实时性的操作系统，在内存管理方面必须要比其它Windows操作系统更节约物理内存和虚拟地址空间。在内存管理API方面，为了便于移植程序，Windows CE和其它Windows操作系统函数声明基本一致，这使一个在其它Windows下开发的程序员可以直接使用早就熟悉的API函数，但是CE下内存管理的原理开发者还是应该熟悉的。

　　1、ROM和RAM

　　对于早期采用的存储设备一般采用ROM ＋ RAM ，在ROM中存放的所有文件可以是压缩的也可以是不压缩的，这取决于OEM（原始设备制造商）。OEM在定制CE内核时可以设置一个标志告诉ROM镜像制作工具（romimage.exe）是否压缩文件。对于ROM中存放的模块（DLL、EXE文件）来说，如果是压缩的，模块在运行前先解压并全部存放到RAM中。如果是不压缩的，并且ROM介质支持线性访问（line-Accessed），就可以本地执行（executed in place，缩写为XIP）。利用本地执行方式运行应用程序、DLL的优点是：采用这种技术在加载EXE或DLL时，其中的代码段数据不加载到物理内存中，内核只是分配虚拟地址空间给代码段，当执行代码时内核会到实际存放在ROM存储设备上的文件中寻找代码并执行。采用这样的技术既可以节省可用内存又可以减少加载的时间。但是这种技术有一定的局限性，如果要让CPU到ROM中去寻找代码执行，那么ROM介质必须支持线性访问，这就要求ROM介质支持线性访问，而不是块访问。XIP这种加载方式的缺点就是执行速度相对较慢，CPU访问ROM的速度肯定远慢于访问RAM的速度。
　
　　基于Windows CE的产品开始采用FLASH、IDE等永久存储设备时，内核镜像（.bin）和其它应用程序文件开始存放到永久存储设备中而不是ROM中，这不仅仅是因为硬盘或者FLASH的I/O速度比ROM快，更因为现在的内核包含的功能多并且文件数量增加，因而需要的存储空间很大，一般都在20MB左右。再加上其它开发商开发的应用程序文件，要求的空间就更大了。CE启动时内核镜像由加载程序解压并将系统文件加载到RAM的NK，NK是在config.bib中定义的一段RAM区域，专用于保存内核镜像解压出来的所有文件。Windows CE将NK看作是ROM，当执行一个应用程序时，CE内核将这个应用程序需要的系统DLL（在NK中保存）加载到Slot 1（地址范围0x0200 0000－0x03FF FFFF，在Windows CE.NET中Slot 1专用于XIP DLL使用）。Slot 1是一段虚拟地址，当CPU执行DLL的代码时，CPU会根据地址映射关系到NK中寻找实际的代码执行，因为NK是一段实际的物理内存，I/O速度非常快，所以相对于在ROM中执行，DLL的运行效率得到很大提高。

　　非XIP DLL在加载时CE内核会在调用DLL的进程的地址空间中申请足够大的地址空间，并且执行代码时按需提交物理内存。

　　RAM和ROM文件系统是Windows CE默认的文件系统。RAM文件系统的优点是支持文件压缩、支持事务机制（和数据库中的事务机制相似）、数据I/O较快。Windows CE.NET启动时把除了NK以外的RAM分为对象存储（object store）区域和应用程序内存（program memory）区域，并且默认各使用一半RAM。在基于Windows CE的设备没有采用永久存储器之前，对象存储的作用相当于永久存储器，对象存储区域采用RAM文件系统来保存文件，对象存储中可以存储的对象类型有文件、目录、数据库、记录、数据库卷。默认在对象存储中存储的对象全部是压缩的。当整个系统关闭时，设备的电源还继续提供电力给RAM，这样对象存储中保存的所有数据就不会丢失。应用程序内存区域留给所有应用程序运行时使用。基于Windows CE的设备采用永久存储器后，对象存储的作用就被永久存储器替代了，所以采用永久存储器后，应该减小对象存储区域的大小。如果定制的Windows CE的内核包含了资源管理器（eXPlorer.exe），那么打开“控制面板”，在“系统”－“内存”中，可以调节这两个存储区域的比例。滑块向左，则释放对象存储区域的一些可用内存并将这些内存划到应用程序内存区域中。滑块向右则相反。

　　2、内存结构

　　Windows CE.NET只能管理512MB的物理内存和4GB大小的虚拟地址空间。不同的CPU内存管理方法也不同。对于MIPS和SHX系列CPU来说，物理地址映射是由CPU完成的，CE内核可以直接访问512MB的物理内存。对于x86系列和ARM系列的CPU来说，在内核启动过程中它会将现有物理内存地址全部映射到0x8000 0000以上的虚拟地址空间中供内核以后使用。OEM可以通过OEMAddressTable来详细定义虚拟地址和物理地址的映射关系。OEMAddressTable本身并不是一个文件，它只是存在于其它文件中描述虚拟地址和实际物理地址的映射关系的数据。比如文件oem init.asm中包含一段代码：dd 80000000h, 0, 04000000h 。它表示将整个物理地址（0x0400 0000＝64MB）共64MB映射到虚拟地址从0x8000 0000到0x8400 0000中。关于OEMAddressTable我将在以后关于PB的文章中讲述。

　　整个4GB虚拟地址空间主要划分为两部分，从0x8000 0000以上为内核使用部分，0x8000 0000以下为应用程序使用部分。详细见下表：

地址范围用途 0x0000 0000到0x41FF FFFF 　　由所有应用程序使用。共33个槽，每个槽占32MB。槽0（Slot 0）由当前占有CPU的进程使用。槽1由XIP DLL使用。其它槽用于进程使用，每个进程占用一个槽。 0x4200 0000到0x7FFF FFFF 　　由所有应用程序共享的区域。32MB地址空间有时不能够满足一些进程的需求。那么进程可以使用这个范围的地址空间。在这个区域里应用程序可以建堆、创建内存映射文件、分配大的地址空间等。 0xA000 0000到0xBFFF FFFF 　　在这个范围内核重复定义0x8000 0000到0x9FFF FFFF之间定义的物理地址映射空间。区别是在这范围映射的虚拟地址空间不能够用于缓冲。

　　我举例来说明：假设一个产品有64MB物理内存。如上文所述定义好OEMAddressTable后。内核启动后一个物理地址映射空间范围在0x8000 0000到0x8400 0000，那么内核会从0xA000 0000到0xA400 0000定义一个同样范围的地址空间，这个地址空间和0x8000 0000到0x8400 0000映射到相同的物理地址。但这个虚拟地址空间不能够用于缓冲。 0xC000 0000到0xC1FF FFFF 系统保留空间 0xC200 0000到0xC3FF FFFF 内核程序nk.exe使用的地址空间。 0xC400 0000到0xDFFF FFFF 　　这个范围为用户定义的静态虚拟地址空间，但这个地址空间只能用于非缓冲使用。
　　利用OEMAddressTable定义物理地址映射空间后，每次内核启动时这个范围都不改变了，除非产品包含的物理内存容量发生变化。假如增加到128MB物理内存，那么物理地址映射空间也向后扩大了一倍。Windows CE.NET也允许用户创建静态的物理地址映射空间。用户可以调用CreateStaticMapping函数或者NKCreateStaticMapping函数来映射某一段物理地址到0xC400 0000和0xE000 0000之间的某一个范围。需要注意的是用这个函数创建的静态虚拟地址只能够由内核访问，而且不能用于缓冲。

0xE000 0000到0xFFFF FFFF 内核使用的虚拟地址。当内核需要大的虚拟地址空间时，会在这个范围内分配。　　

图1 Windows CE.NET内存结构

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　　3、进程地址空间结构

　　进程地址空间结构如图2所示。这个图源至MSDN。

Windows CE.NET同以前版本的Windows CE操作系统在进程地址空间上有所不同，以前的Windows CE把XIP DLL也加载到进程的32MB地址空间中，而Windows CE.NET把XIP DLL单独加载到Slot 1中，这样对于每个进程来说，它总的地址空间就大了一倍，也就是64MB。这个问题我在讲解进程的时候提到过。

　　当一个应用程序启动时，内核为这个程序选择一个空闲的槽（Slot），并且加载所有的代码、资源，并分配堆栈，加载DLL等。当这个进程得到CPU使用权时，它的整个地址空间被内核映射到Slot 0，也就是当前进程使用的地址空间，然后开始运行。图中给出的地址实际上是经过映射到Slot 0之后的结构。从图中可以看出，进程首先加载代码段，因为每个进程最低部64KB作为保留区域，所以代码段从0x0001 0000开始，内核为代码段分配足够的虚拟地址空间后，接着分配空间为只读数据和可读/可写数据，接着分配空间为资源数据，之后分配空间为默认堆和栈。非XIP DLL从进程最高地址向下开始加载。非XIP DLL的加载按如下规则：内核先检查要加载的DLL是否被其它进程加载过，如果加载过，就做一个地址的重定位。这样就避免了整个系统内多次加载相同DLL。如果没有加载过，就按照从槽的高地址到槽的低地址的顺序查找空闲的地址空间。然后分配足够的地址空间用于加载DLL。因为每个进程在执行前都要映射到Slot 0，而且进程使用的所有DLL可能来自不同的槽（Slot），为避免所有使用的DLL在映射到Slot 0中出现地址空间冲突的现象，内核的加载器（Loader）在加载DLL时会查找所有槽中加载的DLL的地址，保证在映射到Slot 0时不会发生地址冲突现象。假如系统内有两个进程，进程A只加载了DLL A，进程B

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