嵌入式Web訪問時(shí)的內(nèi)存丟失問題解析

　　由于嵌入式技術(shù)的發(fā)展 ，嵌入式 Web 服務(wù)器軟件越來越大 ，對(duì)硬件的要求也相應(yīng)地提高 ，但在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的底層控制中 ，一般嵌入式系統(tǒng)的硬件配置都不是很高 ，導(dǎo)致了軟件和硬件的沖突。本文就是對(duì)實(shí)際應(yīng)用過程中 ，偶爾出現(xiàn)的 Web 頁(yè)面訪問出錯(cuò)問題進(jìn)行深入的研究。

　　1 嵌入式 Web 在系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　多支點(diǎn)觸發(fā)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)模塊 ： 控制臺(tái)模塊、網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源模塊、被觸發(fā)設(shè)備模塊。其中 ，網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源和被觸發(fā)設(shè)備都是掛載在總線上的 通過現(xiàn)場(chǎng)總線可以將系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接起來以方便管理。嵌入式 Web 就是應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源模塊中 ，它負(fù)責(zé)控制臺(tái)和被觸發(fā)設(shè)備之間的通信。控制臺(tái)通過瀏覽器訪問網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源 ，在 Web 頁(yè)面上完成相應(yīng)控制操作后 ，由網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源把操作命令發(fā)送到總線上 ，被觸發(fā)設(shè)備從總線上接收到命令后 ，完成相應(yīng)操作。在網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)源模塊中 ，Web 服務(wù)器采用的是 Boa ，嵌入式操作系統(tǒng)采用的是 uClinux ，處理器采用的是 Sam2sung 公司的 S3C44B0。多支點(diǎn)觸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

　　2 Boa 的運(yùn)行流程及出現(xiàn)的問題

　　Boa 是單任務(wù)的 http 服務(wù)器 ，源碼開放 ，性能高。與傳統(tǒng)的 Web 服務(wù)器不同 ，它并不對(duì)每個(gè)進(jìn)入服務(wù)器的連接開辟新的進(jìn)程 ，所有活動(dòng)的 http 連接都在內(nèi)部進(jìn)行處理 ，而只為每個(gè) CGI 連接啟動(dòng)新進(jìn)程。在已進(jìn)行的測(cè)試中 ，Boa服務(wù)器比其他的 Web 服務(wù)器要快 ，所以它應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中是具有良好前景的。圖 2 是 Boa 基本的運(yùn)行流程 。

　　在 Boa 運(yùn)行過程中 ，用戶請(qǐng)求初始 Lo2gin 頁(yè)面時(shí) ，系統(tǒng)能正常響應(yīng)操作。當(dāng)用戶輸入正確的 Login 信息 ， 要實(shí) 現(xiàn)頁(yè) 面跳 轉(zhuǎn)時(shí) ， PC 機(jī)上的瀏覽器里面不能正確瀏覽 ，提示錯(cuò)誤“： 502 bad gate2way The CGI was notCGI/ 1. 1 compliant ”。由于運(yùn)行的是 CGI 程序 ，通過調(diào)試和查看錯(cuò)誤日志 ，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)停留在步驟 ⑤～ ⑦間。在排除 CGI 程序錯(cuò)誤后 ，通過串口調(diào)試終端打印出的錯(cuò)誤信息發(fā)現(xiàn) ：在執(zhí)行 CGI 程序時(shí) ，內(nèi)核申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)出錯(cuò) ，提示申請(qǐng)的內(nèi)存塊不能得到 ，即內(nèi)存丟失。

　　3 系統(tǒng)內(nèi)存丟失分析

　　3. 1 uClinux 的內(nèi)存管理

　　uClinux 不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù) ，它仍然采用存儲(chǔ)器的分頁(yè)管理。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器分頁(yè) ，加載應(yīng)用程序?qū)Τ绦蚍猪?yè)加載。由于沒有 MMU 管理 ，所以u(píng)Clinux 采用實(shí)存儲(chǔ)器管理。uClinux 系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的訪問是直接的（它對(duì)地址的訪問不經(jīng) MMU ，而是直接送到地址線上輸出） ，所有程序訪問的地址是物理地址。那些比物理內(nèi)存還大的程序?qū)o法執(zhí)行［2 ］ 。

　　uClinux 將整個(gè)物理內(nèi)存劃分成為 4 KB 的頁(yè)面。由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) page 管理 ，有多少頁(yè)面就有多少 page 結(jié)構(gòu) ，它們又作為元素組成數(shù)組 men_map 。物理頁(yè)面可作為進(jìn)程代碼、數(shù)據(jù)和堆棧的一部分 ，還可存儲(chǔ)裝入的文件 ，也可作緩沖區(qū)。

　　3. 2 內(nèi)存丟失原因

　　由于 uClinux 提供了跟普通 Linux 一樣的內(nèi)存分配器 ，普通 Linux 中缺省的內(nèi)存分配器是使用“2 的冪”的分配方法 ，這樣可以快速找到符合要求的內(nèi)存區(qū)域。

　　在系統(tǒng)開發(fā)過程初期 ，采用的就是“2 的冪”的分配方法。如果一個(gè)應(yīng)用程序要求（ X） KB 內(nèi)存空間進(jìn)行裝載 ，則實(shí)際使用占用的內(nèi)存空間大小為 Y = 2m（ Y ≥X） 。試想一個(gè) 65 KB 應(yīng)用程序 ，如果按照“2 的冪”的分配方法 ，就必須分配 128 KB （2 的 7 次方） 的內(nèi)存空間 ，這樣就有63 KB的內(nèi)存空間不能被利用上。這對(duì)于小內(nèi)存的嵌入式系統(tǒng)來說是相當(dāng)大的浪費(fèi)。

　　多支點(diǎn)觸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí) ，嵌入式操作系統(tǒng) uClinux 使用“2 的冪”的內(nèi)存分配方法 ，大多數(shù)情況下都能正常工作。但在不斷反復(fù)測(cè)試中 ，偶爾會(huì)出現(xiàn)上述頁(yè)面出錯(cuò)問題。錯(cuò)誤的原因是不能獲得足夠的內(nèi)存加載程序。通過調(diào)試終端 ，用free 命令查看系統(tǒng)內(nèi)存分配情況如表 1 所列。

　　由表 1 可以看出 ，空閑的內(nèi)存空間還有 1560 KB ，而應(yīng)用程序所需的內(nèi)存空間為 400 多 KB ，但是內(nèi)核認(rèn)為并沒有足夠的內(nèi)存空間用來加載程序。例如一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存大小為1 MB ，有 400 KB 的空閑內(nèi)存 ，為了裝載一個(gè)應(yīng)用程序需要分配 100 KB 的空間。大家可能覺得這個(gè)需要肯定能得到滿足 ，然而 ，由于 uClinux 必須給應(yīng)用程序分配連續(xù)內(nèi)存空間的特性 ，所以必須有 100 KB 連續(xù)的內(nèi)存空間才能滿足這個(gè)需要。而當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存分配如圖 3 所示時(shí) ，最大的連續(xù)內(nèi)存塊的大小只有 80 KB ，這樣是沒有辦法分配給這個(gè)應(yīng)用程序的。這就是系統(tǒng)中頁(yè)面訪問出錯(cuò)的問題所在 ，雖然有足夠的空閑內(nèi)存空間 ，但是沒有應(yīng)用程序所需的連續(xù)內(nèi)存空間。

　　這就是內(nèi)存丟失問題。雖然系統(tǒng)會(huì)顯示大量的可用內(nèi)存 ，但是應(yīng)用程序卻不能得到。

　　4 內(nèi)存丟失問題的解決

　　由于系統(tǒng)的內(nèi)存管理默認(rèn)采用“2 的冪”的分配方法 ，這就造成了內(nèi)存空間的巨大浪費(fèi) ，當(dāng)某些應(yīng)用程序要申請(qǐng)較大的連續(xù)空間時(shí) ，卻不能滿足。為了解決這個(gè)問題 ，專門為 uClinux 內(nèi)核設(shè)計(jì)了可選的內(nèi)存分配器。不同的內(nèi)核版本 ，這個(gè)可選的內(nèi)存分配器不同 ，一般是 page_alloc2和 kmalloc2。

　　page_alloc2 能解決缺省的分配方法造成的浪費(fèi)問題。雖然它也是使用“2 的冪”的分配方法 ，但它是按頁(yè)（每頁(yè)4 096B ，即 4 KB） 分配的 ，分配的內(nèi)存大小如果已經(jīng)滿足了要求 ，則只是將當(dāng)前的一頁(yè)分配出去 ，其他的就不再分配。還是一個(gè) 65 KB 的應(yīng)用程序 ，如果使用這種方法 ，就只是分配 68 KB（ ≥65 KB ，且為整頁(yè)） 即可 ，這樣就能節(jié)省60 KB 的空間。

　　page_alloc2 還采取了一些避免內(nèi)存碎片的方法。它將所有的兩頁(yè)（8 KB） 或更少的內(nèi)存需求從空閑內(nèi)存開始部分向上分配 ，所有大的內(nèi)存需求從剩余內(nèi)存的末尾部分開始向下分配。這樣防止了網(wǎng)絡(luò)緩存等的臨時(shí)分配 ，避免了內(nèi)存碎片的出現(xiàn)。同時(shí) ，它支持一次申請(qǐng)超過 1 MB 的內(nèi)存空間 ，這對(duì)一些大的應(yīng)用程序是很好的支持。

　　采用此方法后 ，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中 ，并未出現(xiàn)過頁(yè)面訪問出錯(cuò)問題。通過 free 命令查看內(nèi)存分配如表 2 所列。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛的情況下 ，本文結(jié)合嵌入式 Web 在多支點(diǎn)觸發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)用 ，介紹了 Web 訪問出現(xiàn)的問題以及它的解決方法。在實(shí)際應(yīng)用中 ，新的內(nèi)存分配方法能讓系統(tǒng)穩(wěn)定地工作 ，但是從表 2 可以發(fā)現(xiàn) ：采用“page_alloc2”的內(nèi)存分配方法時(shí) ，系統(tǒng)的 Cache 較小 ，這就造成了頁(yè)面訪問有一定的延時(shí)。而“2 的冪”的分配方法 ，系統(tǒng)的 Cache 較大 ，訪問速度較快。從這個(gè)對(duì)比得知 ，在反應(yīng)時(shí)間要求不是很高的情況下“， page_alloc2”的內(nèi)存分配方法更適合小內(nèi)存的嵌入式系統(tǒng) ;而“2 的冪”的分配方法更合適那些內(nèi)存足夠大的嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)開發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際情況采用不同的方案。