嵌入式Web访问时的内存丢失问题解析
由于嵌入式技术的发展 ，嵌入式 web 服务器软件越来越大 ，对硬件的要求也相应地提高 ，但在工业现场的底层控制中 ，一般嵌入式系统的硬件配置都不是很高 ，导致了软件和硬件的冲突。本文就是对实际应用过程中 ，偶尔出现的 web 页面访问出错问题进行深入的研究。
1 嵌入式 web 在系统中的应用 多支点触发系统包括以下几个模块 ： 控制台模块、网络触发源模块、被触发设备模块。其中 ，网络触发源和被触发设备都是挂载在总线上的 通过现场总线可以将系统各个节点相互连接起来以方便管理。嵌入式 web 就是应用于网络触发源模块中 ，它负责控制台和被触发设备之间的通信。控制台通过浏览器访问网络触发源 ，在 web 页面上完成相应控制操作后 ，由网络触发源把操作命令发送到总线上 ，被触发设备从总线上接收到命令后 ，完成相应操作。在网络触发源模块中 ，web 服务器采用的是 boa ，嵌入式操作系统采用的是 uclinux ，处理器采用的是 sam2sung 公司的 s3c44b0。多支点触发系统结构如图 1 所示。
2 boa 的运行流程及出现的问题 boa 是单任务的 http 服务器 ，源码开放 ，性能高。与传统的 web 服务器不同 ，它并不对每个进入服务器的连接开辟新的进程 ，所有活动的 http 连接都在内部进行处理 ，而只为每个 cgi 连接启动新进程。在已进行的测试中 ，boa服务器比其他的 web 服务器要快 ，所以它应用在嵌入式系统中是具有良好前景的。图 2 是 boa 基本的运行流程 。
在 boa 运行过程中 ，用户请求初始 lo2gin 页面时 ，系统能正常响应操作。当用户输入正确的 login 信息 ， 要实 现页 面跳 转时 ， pc 机上的浏览器里面不能正确浏览 ，提示错误“： 502 bad gate2way the cgi was notcgi/ 1. 1 compliant ”。由于运行的是 cgi 程序 ，通过调试和查看错误日志 ，发现系统停留在步骤 ⑤～ ⑦间。在排除 cgi 程序错误后 ，通过串口调试终端打印出的错误信息发现 ：在执行 cgi 程序时 ，内核申请内存时出错 ，提示申请的内存块不能得到 ，即内存丢失。
3 系统内存丢失分析 3. 1 uclinux 的内存管理 uclinux 不能使用处理器的虚拟内存管理技术 ，它仍然采用存储器的分页管理。系统启动时对存储器分页 ，加载应用程序对程序分页加载。由于没有 mmu 管理 ，所以uclinux 采用实存储器管理。uclinux 系统对内存的访问是直接的（它对地址的访问不经 mmu ，而是直接送到地址线上输出） ，所有程序访问的地址是物理地址。那些比物理内存还大的程序将无法执行［2 ］ 。
uclinux 将整个物理内存划分成为 4 kb 的页面。由数据结构 page 管理 ，有多少页面就有多少 page 结构 ，它们又作为元素组成数组 men_map 。物理页面可作为进程代码、数据和堆栈的一部分 ，还可存储装入的文件 ，也可作缓冲区。
3. 2 内存丢失原因 由于 uclinux 提供了跟普通 linux 一样的内存分配器 ，普通 linux 中缺省的内存分配器是使用“2 的幂”的分配方法 ，这样可以快速找到符合要求的内存区域。
在系统开发过程初期 ，采用的就是“2 的幂”的分配方法。如果一个应用程序要求（ x） kb 内存空间进行装载 ，则实际使用占用的内存空间大小为 y = 2m（ y ≥x） 。试想一个 65 kb 应用程序 ，如果按照“2 的幂”的分配方法 ，就必须分配 128 kb （2 的 7 次方） 的内存空间 ，这样就有63 kb的内存空间不能被利用上。这对于小内存的嵌入式系统来说是相当大的浪费。
多支点触发系统运行时 ，嵌入式操作系统 uclinux 使用“2 的幂”的内存分配方法 ，大多数情况下都能正常工作。但在不断反复测试中 ，偶尔会出现上述页面出错问题。错误的原因是不能获得足够的内存加载程序。通过调试终端 ，用free 命令查看系统内存分配情况如表 1 所列。
由表 1 可以看出 ，空闲的内存空间还有 1560 kb ，而应用程序所需的内存空间为 400 多 kb ，但是内核认为并没有足够的内存空间用来加载程序。例如一个系统内存大小为1 mb ，有 400 kb 的空闲内存 ，为了装载一个应用程序需要分配 100 kb 的空间。大家可能觉得这个需要肯定能得到满足 ，然而 ，由于 uclinux 必须给应用程序分配连续内存空间的特性 ，所以必须有 100 kb 连续的内存空间才能满足这个需要。而当系统内存分配如图 3 所示时 ，最大的连续内存块的大小只有 80 kb ，这样是没有办法分配给这个应用程序的。这就是系统中页面访问出错的问题所在 ，虽然有足够的空闲内存空间 ，但是没有应用程序所需的连续内存空间。
这就是内存丢失问题。虽然系统会显示大量的可用内存 ，但是应用程序却不能得到。
4 内存丢失问题的解决 由于系统的内存管理默认采用“2 的幂”的分配方法 ，这就造成了内存空间的巨大浪费 ，当某些应用程序要申请较大的连续空间时 ，却不能满足。为了解决这个问题 ，专门为 uclinux 内核设计了可选的内存分配器。不同的内核版本 ，这个可选的内存分配器不同 ，一般是 page_alloc2和 kmalloc2。
page_alloc2 能解决缺省的分配方法造成的浪费问题。虽然它也是使用“2 的幂”的分配方法 ，但它是按页（每页4 096b ，即 4 kb） 分配的 ，分配的内存大小如果已经满足了要求 ，则只是将当前的一页分配出去 ，其他的就不再分配。还是一个 65 kb 的应用程序 ，如果使用这种方法 ，就只是分配 68 kb（ ≥65 kb ，且为整页） 即可 ，这样就能节省60 kb 的空间。
page_alloc2 还采取了一些避免内存碎片的方法。它将所有的两页（8 kb） 或更少的内存需求从空闲内存开始部分向上分配 ，所有大的内存需求从剩余内存的末尾部分开始向下分配。这样防止了网络缓存等的临时分配 ，避免了内存碎片的出现。同时 ，它支持一次申请超过 1 mb 的内存空间 ，这对一些大的应用程序是很好的支持。
采用此方法后 ，在系统运行过程中 ，并未出现过页面访问出错问题。通过 free 命令查看内存分配如表 2 所列。
结语 在嵌入式系统应用日益广泛的情况下 ，本文结合嵌入式 web 在多支点触发系统中的应用 ，介绍了 web 访问出现的问题以及它的解决方法。在实际应用中 ，新的内存分配方法能让系统稳定地工作 ，但是从表 2 可以发现 ：采用“page_alloc2”的内存分配方法时 ，系统的 cache 较小 ，这就造成了页面访问有一定的延时。而“2 的幂”的分配方法 ，系统的 cache 较大 ，访问速度较快。从这个对比得知 ，在反应时间要求不是很高的情况下“， page_alloc2”的内存分配方法更适合小内存的嵌入式系统 ;而“2 的幂”的分配方法更合适那些内存足够大的嵌入式系统。系统开发者可以根据实际情况采用不同的方案。
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在 boa 运行过程中 ，用户请求初始 lo2gin 页面时 ，系统能正常响应操作。当用户输入正确的 login 信息 ， 要实 现页 面跳 转时 ， pc 机上的浏览器里面不能正确浏览 ，提示错误“： 502 bad gate2way the cgi was notcgi/ 1. 1 compliant ”。由于运行的是 cgi 程序 ，通过调试和查看错误日志 ，发现系统停留在步骤 ⑤～ ⑦间。在排除 cgi 程序错误后 ，通过串口调试终端打印出的错误信息发现 ：在执行 cgi 程序时 ，内核申请内存时出错 ，提示申请的内存块不能得到 ，即内存丢失。
3 系统内存丢失分析 3. 1 uclinux 的内存管理 uclinux 不能使用处理器的虚拟内存管理技术 ，它仍然采用存储器的分页管理。系统启动时对存储器分页 ，加载应用程序对程序分页加载。由于没有 mmu 管理 ，所以uclinux 采用实存储器管理。uclinux 系统对内存的访问是直接的（它对地址的访问不经 mmu ，而是直接送到地址线上输出） ，所有程序访问的地址是物理地址。那些比物理内存还大的程序将无法执行［2 ］ 。
uclinux 将整个物理内存划分成为 4 kb 的页面。由数据结构 page 管理 ，有多少页面就有多少 page 结构 ，它们又作为元素组成数组 men_map 。物理页面可作为进程代码、数据和堆栈的一部分 ，还可存储装入的文件 ，也可作缓冲区。
3. 2 内存丢失原因 由于 uclinux 提供了跟普通 linux 一样的内存分配器 ，普通 linux 中缺省的内存分配器是使用“2 的幂”的分配方法 ，这样可以快速找到符合要求的内存区域。
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