Windows CE 進(jìn)程、線程和內(nèi)存管理三

　三、內(nèi)存管理
　　同其它Windows操作系統(tǒng)一樣，Windows CE.NET也支持32位虛擬內(nèi)存機制、按需分配內(nèi)存和內(nèi)存映射文件等。但是與其它Windows操作系統(tǒng)又有明顯的不同。畢竟Windows CE是一種嵌入式實時性的操作系統(tǒng)，在內(nèi)存管理方面必須要比其它Windows操作系統(tǒng)更節(jié)約物理內(nèi)存和虛擬地址空間。在內(nèi)存管理API方面，為了便于移植程序，Windows CE和其它Windows操作系統(tǒng)函數(shù)聲明基本一致，這使一個在其它Windows下開發(fā)的程序員可以直接使用早就熟悉的API函數(shù)， 但是CE下內(nèi)存管理的原理開發(fā)者還是應(yīng)該熟悉的。
　　1、ROM和RAM
　　最早的基于Windows CE的民用產(chǎn)品，采用的存儲設(shè)備都是ROM ＋ RAM ，ROM保存CE內(nèi)核文件、應(yīng)用程序，而RAM用于內(nèi)核、所有應(yīng)用程序運行時使用，關(guān)閉電源時必須給RAM提供電力來保存系統(tǒng)配置信息、用戶產(chǎn)生的文件等。為了適應(yīng)這樣的存儲硬件，CE采用了ROM文件系統(tǒng)和RAM文件系統(tǒng)。在ROM中存放的模塊可以是壓縮的，也可以是不壓縮的，這取決于OEM。OEM在定制內(nèi)核時可以設(shè)置是否壓縮模塊。如果是壓縮的，模塊在運行前先解壓并全部存放到RAM中。如果是不壓縮的，就本地執(zhí)行（XIP，executed in place）。本地執(zhí)行和其它Windows操作系統(tǒng)下執(zhí)行應(yīng)用程序、DLL方式一致，也就是應(yīng)用了內(nèi)存映射文件技術(shù)。在這里我順便講一下。在啟動時應(yīng)用程序或DLL的代碼段不加載到物理內(nèi)存中，內(nèi)核只是分配虛擬地址空間給代碼段，當(dāng)執(zhí)行代碼時內(nèi)核會到實際存放在硬盤上的文件中尋找代碼并執(zhí)行。采用這樣的技術(shù)既可以節(jié)省可用內(nèi)存又可以減少加載的時間。請注意，操作系統(tǒng)首先會到為硬盤準(zhǔn)備的緩沖區(qū)里讀取代碼數(shù)據(jù)，如果沒有就命令硬盤讀取應(yīng)用程序文件數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)。所以緩沖區(qū)設(shè)置大點是有好處的。Windows CE的本地執(zhí)行就是采用這樣的技術(shù)來加載ROM內(nèi)的應(yīng)用程序和DLL的。所以Windows CE的DLL分為XIP DLL和非XIP DLL。這種加載方式的缺點就是執(zhí)行相對較慢一點，如果用PB創(chuàng)建一個具有實時性特點的內(nèi)核，一定不能選用XIP技術(shù)。
　　到后來基于Windows CE的產(chǎn)品開始采用FLASH、IDE等永久存儲設(shè)備時，文件系統(tǒng)又加了個FAT。內(nèi)核文件和其它應(yīng)用程序也可以存放到永久存儲設(shè)備中，內(nèi)核由加載程序解壓并加載到RAM的對象存儲區(qū)域（object store），包含在內(nèi)核中的所有系統(tǒng)應(yīng)用程序文件和DLL文件都存放到這個區(qū)域。當(dāng)執(zhí)行一個應(yīng)用程序時，內(nèi)核將這個應(yīng)用程序調(diào)用的系統(tǒng)DLL加載到Slot 1（0x0200 0000－0x03FF FFFF）。在Windows CE.NET中Slot 1專用于XIP DLL使用。
　　RAM文件系統(tǒng)專用于對象存儲。在以前的文章中曾經(jīng)講過，它和ROM文件系統(tǒng)是Windows CE默認(rèn)的文件系統(tǒng)。Windows CE啟動后把RAM分為對象存儲區(qū)域（object store）和應(yīng)用程序內(nèi)存區(qū)域（program memory）。對象存儲區(qū)域采用RAM文件系統(tǒng)來保存文件，一般用于保存內(nèi)核解開的所有文件。應(yīng)用程序內(nèi)存區(qū)域留給所有應(yīng)用程序運行時使用。在Windows CE下“控制面板”－“系統(tǒng)”－“內(nèi)存”中，可以調(diào)節(jié)這兩個存儲區(qū)域的比例，滑塊向左，則釋放對象存儲區(qū)域的一些內(nèi)存并將這些內(nèi)存劃到應(yīng)用程序內(nèi)存區(qū)域中?；瑝K向右則相反。
　　2、內(nèi)存結(jié)構(gòu)
　　Windows CE.NET只能管理512MB的物理內(nèi)存和4GB大小的虛擬地址空間。不同的CPU內(nèi)存管理方法也不同。對于MIPS和SHX系列CPU來說，物理地址映射是由CPU完成的，CE內(nèi)核可以直接訪問512MB的物理內(nèi)存。對于x86系列和ARM系列的CPU來說，在內(nèi)核啟動過程中它會將現(xiàn)有物理內(nèi)存地址全部映射到0x8000 0000以上的虛擬地址空間中供內(nèi)核以后使用。OEM可以通過OEMAddressTable來詳細(xì)定義虛擬地址和物理地址的映射關(guān)系。OEMAddressTable本身并不是一個文件，它只是存在于其它文件中描述虛擬地址和實際物理地址的映射關(guān)系的數(shù)據(jù)。比如文件oem init.asm中包含一段代碼：dd 80000000h， 0， 04000000h 。它表示將整個物理地址（0x0400 0000＝64MB）共64MB映射到虛擬地址從0x8000 0000到0x8400 0000中。關(guān)于OEMAddressTable我將在以后關(guān)于PB的文章中講述。
　　整個4GB虛擬地址空間主要劃分為兩部分，從0x8000 0000以上為內(nèi)核使用部分，0x8000 0000以下為應(yīng)用程序使用部分。詳細(xì)見下表：
　　地址范圍用途
　　0x0000 0000到0x41FF FFFF　　由所有應(yīng)用程序使用。共33個槽，每個槽占32MB。槽0（Slot 0）由當(dāng)前占有CPU的進(jìn)程使用。槽1由XIP DLL使用。其它槽用于進(jìn)程使用，每個進(jìn)程占用一個槽。
　　0x4200 0000到0x7FFF FFFF　　由所有應(yīng)用程序共享的區(qū)域。32MB地址空間有時不能夠滿足一些進(jìn)程的需求。那么進(jìn)程可以使用這個范圍的地址空間。在這個區(qū)域里應(yīng)用程序可以建堆、創(chuàng)建內(nèi)存映射文件、分配大的地址空間等。
　　0xA000 0000到0xBFFF FFFF　　在這個范圍內(nèi)核重復(fù)定義0x8000 0000到0x9FFF FFFF之間定義的物理地址映射空間。區(qū)別是在這范圍映射的虛擬地址空間不能夠用于緩沖。
　　我舉例來說明：假設(shè)一個產(chǎn)品有64MB物理內(nèi)存。如上文所述定義好OEMAddressTable后。內(nèi)核啟動后一個物理地址映射空間范圍在0x8000 0000到0x8400 0000，那么內(nèi)核會從0xA000 0000到0xA400 0000定義一個同樣范圍的地址空間，這個地址空間和0x8000 0000到0x8400 0000映射到相同的物理地址。但這個虛擬地址空間不能夠用于緩沖。
　　0xC000 0000到0xC1FF FFFF系統(tǒng)保留空間
　　0xC200 0000到0xC3FF FFFF內(nèi)核程序nk.exe使用的地址空間。
　　0xC400 0000到0xDFFF FFFF　　這個范圍為用戶定義的靜態(tài)虛擬地址空間，但這個地址空間只能用于非緩沖使用。
　　利用OEMAddressTable定義物理地址映射空間后，每次內(nèi)核啟動時這個范圍都不改變了，除非產(chǎn)品包含的物理內(nèi)存容量發(fā)生變化。假如增加到128MB物理內(nèi)存，那么物理地址映射空間也向后擴大了一倍。Windows CE.NET也允許用戶創(chuàng)建靜態(tài)的物理地址映射空間。用戶可以調(diào)用CreateStaticMapping函數(shù)或者NKCreateStaticMapping函數(shù)來映射某一段物理地址到0xC400 0000和0xE000 0000之間的某一個范圍。需要注意的是用這個函數(shù)創(chuàng)建的靜態(tài)虛擬地址只能夠由內(nèi)核訪問，而且不能用于緩沖。
　　0xE000 0000到0xFFFF FFFF　　內(nèi)核使用的虛擬地址。當(dāng)內(nèi)核需要大的虛擬地址空間時，會在這個范圍內(nèi)分配。
　　
　　圖1 Windows CE.NET內(nèi)存結(jié)構(gòu)
　　3、進(jìn)程地址空間結(jié)構(gòu)
　　進(jìn)程地址空間結(jié)構(gòu)如圖2所示。這個圖源至MSDN。Windows CE.NET同以前版本的Windows CE操作系統(tǒng)在進(jìn)程地址空間上有所不同，以前的Windows CE把XIP DLL也加載到進(jìn)程的32MB地址空間中，而Windows CE.NET把XIP DLL單獨加載到Slot 1中，這樣對于每個進(jìn)程來說，它總的地址空間就大了一倍，也就是64MB。這個問題我在講解進(jìn)程的時候提到過。
　　當(dāng)一個應(yīng)用程序啟動時，內(nèi)核為這個程序選擇一個空閑的槽（Slot），并且加載所有的代碼、資源，并分配堆棧，加載DLL等。當(dāng)這個進(jìn)程得到CPU使用權(quán)時，它的整個地址空間被內(nèi)核映射到Slot 0，也就是當(dāng)前進(jìn)程使用的地址空間，然后開始運行。圖中給出的地址實際上是經(jīng)過映射到Slot 0之后的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，進(jìn)程首先加載代碼段，因為每個進(jìn)程最低部64KB作為保留區(qū)域，所以代碼段從0x0001 0000開始，內(nèi)核為代碼段分配足夠的虛擬地址空間后，接著分配空間為只讀數(shù)據(jù)和可讀/可寫數(shù)據(jù)，接著分配空間為資源數(shù)據(jù)，之后分配空間為默認(rèn)堆和棧。非XIP DLL從進(jìn)程最高地址向下開始加載。非XIP DLL的加載按如下規(guī)則：內(nèi)核先檢查要加載的DLL是否被其它進(jìn)程加載過，如果加載過，就做一個地址的重定位。這樣就避免了整個系統(tǒng)內(nèi)多次加載相同DLL。如果沒有加載過，就按照從槽的高地址到槽的低地址的順序查找空閑的地址空間。然后分配足夠的地址空間用于加載DLL。因為每個進(jìn)程在執(zhí)行前都要映射到Slot 0，而且進(jìn)程使用的所有DLL可能來自不同的槽（Slot），為避免所有使用的DLL在映射到Slot 0中出現(xiàn)地址空間沖突的現(xiàn)象，內(nèi)核的加載器（Loader）在加載DLL時會查找所有槽中加載的DLL的地址，保證在映射到Slot 0時不會發(fā)生地址沖突現(xiàn)象。假如系統(tǒng)內(nèi)有兩個進(jìn)程，進(jìn)程A只加載了DLL A，進(jìn)程B需要加載DLL A和DLL B，那么進(jìn)程B會留出DLL A的地址空間，然后加載DLL B，也就是說進(jìn)程B映射到Slot 0時，DLL A的地址空間和DLL B的地址空間是相鄰的，不會發(fā)生沖突。好在Windows CE下DLL都很小，而且一個應(yīng)用程序使用的DLL多數(shù)是系統(tǒng)的DLL（存在于Slot 1）。所以目前來看進(jìn)程的地址空間還夠用。