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(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

引 言

隨著工業(yè) 4.0 的提出和工業(yè)以太網(wǎng)的普及,越來(lái)越多的工業(yè)設(shè)備急需接入 Internet[14-15]。 以太網(wǎng)是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)重要模塊[8]。實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的互聯(lián)必須要有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持[4]。LwIP在嵌入式通信中占有很重要的地位，主要是由于其占用資源較少。實(shí)驗(yàn)表明,運(yùn)行該協(xié)議只需要20 KB的RAM和40 KB的ROM[2]。LwIP協(xié)議為數(shù)據(jù)通信提供了基礎(chǔ)[5]。pbuf結(jié)構(gòu)對(duì)于LwIP而言是非常重要的，它關(guān)系到數(shù)據(jù)存放的問(wèn)題，由于不同類(lèi)型pbuf的內(nèi)存分配方式有所不同，那就意味著將會(huì)儲(chǔ)存不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)包。如果對(duì)pbuf沒(méi)有一個(gè)深刻的了解和認(rèn)識(shí)，就不能靈活地運(yùn)用pbuf的類(lèi)型。靈活運(yùn)用pbuf的類(lèi)型對(duì)于數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送是非常重要的[13]，如果不能合理地分配儲(chǔ)存空間的大小和pbuf類(lèi)型，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和空間的浪費(fèi)。為了解決上述問(wèn)題，本文對(duì)pbuf結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深度分析，并設(shè)計(jì)了內(nèi)存分配實(shí)驗(yàn)。

1 pbuf結(jié)構(gòu)介紹

LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院開(kāi)發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧[7,12]，用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)放源代碼的 TCP/IP 協(xié)議棧[8]。 LwIP提供一系列函數(shù)實(shí)現(xiàn)IP、TCP、UDP等操作[10]。對(duì)數(shù)據(jù)包如何進(jìn)行處理，在LwIP“輕型IP協(xié)議(Light Weight IP)”[21]中是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)時(shí)最核心的部分是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸方式[6]。而在LwIP中主要利用4種不同類(lèi)型的pbuf來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類(lèi)管理。

由于實(shí)際存入pbuf結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可能會(huì)很大，所以需要由多個(gè)pbuf才可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的存放。這些pbuf可以是相同的類(lèi)型，也可以是多種類(lèi)型的混合使用。pbuf的申請(qǐng)和釋放是通過(guò)兩個(gè)函數(shù)pbuf_alloc()和pbuf_free()來(lái)完成的，pbuf_alloc()函數(shù)中含有兩個(gè)重要的參數(shù)：layer和type，其中枚舉類(lèi)型pbuf_layer通過(guò)參數(shù)layer決定是協(xié)議棧的哪一層(PBUF_TRANSPORT、PBUF_IP、PBUF_LINK以及PBUF_RAW)和pbuf中的offset“偏移量”。pbuf的類(lèi)型主要通過(guò)枚舉類(lèi)型Pbuf_type體現(xiàn)出來(lái)，然后根據(jù)參數(shù)type的不同進(jìn)行不同的選擇，最后再通過(guò)switch語(yǔ)句選擇用哪一種類(lèi)型。LwIP中的 pbuf 有4種類(lèi)型: PBUF_POOL、PBUF_RAM、PBUF_ROM、PBUF_REF[1]。pbuf結(jié)構(gòu)如下:

struct pbuf {

struct pbuf *next; /*指向下一個(gè)pbuf*/

void *payload; /*指向數(shù)據(jù)緩沖區(qū)*/

u16_t tot_len; /*所有pbuf的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度*/

u16_t len; /*當(dāng)前pbuf的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度*/

u8_t type; /*pbuf類(lèi)型*/

u8_t flags /*狀態(tài)標(biāo)志*/

u16_t ref; /*記錄當(dāng)前pbuf被引用次數(shù)*/

};

2 pbuf類(lèi)型的探索與研究

2.1 PBUF_RAM類(lèi)型

PBUF_RAM類(lèi)型的pbuf是從LwIP的內(nèi)存堆中申請(qǐng)得到的，主要用來(lái)儲(chǔ)存協(xié)議棧和應(yīng)用程序中的待發(fā)送數(shù)據(jù)，所以在學(xué)習(xí)和了解PBUF_RAM之前要先對(duì)內(nèi)存堆的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和了解。從圖 1內(nèi)存堆的結(jié)構(gòu)示意圖中可以看出，每一個(gè)被分配的存儲(chǔ)塊都包含一個(gè)小的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)體的成員變量分別包括next、prev以及used。為了能夠更加清楚地了解內(nèi)存堆的分配狀況，特意對(duì)其組織結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行了顏色區(qū)別，其中陰影部分表示被分配(used 被置位為1)，否則為0。內(nèi)存堆組織結(jié)構(gòu)還可以通過(guò)*next和*prev將相鄰的結(jié)構(gòu)塊連接起來(lái)。在內(nèi)存堆分配內(nèi)存時(shí)需要注意:在其分配時(shí)每個(gè)內(nèi)存塊的大小是有一定差異的，而且可能會(huì)隨時(shí)變動(dòng)。在對(duì)內(nèi)存堆分析過(guò)后，再對(duì)PBUF_RAM類(lèi)型的pbuf進(jìn)行代碼講解，其源代碼主要在源文件pbuf.c中。其部分代碼如下:

case PBUF_RAM：

p=(structpbuf*)mem_malloc(LwIP_MEM_ALIGN_S

IZE(SIZEOF_STRUCT_PBU+offset)+LwIP_MEM_ALIGN_SIZE(length))；

/*獲取PBUF_RAM類(lèi)型內(nèi)存大小*/

if (p == NULL) {return NULL；}

p->payload = LwIP_MEM_ALIGN((void *)((u8_t *)

p+SIZEOF_STRUCT_PBUF+offset))；

p->len = p->tot_len = length；/*數(shù)據(jù)包幀的大小*/

p->next = NULL；

p->type = type；

break；

圖2 PBUF_RAM類(lèi)型的pbuf結(jié)構(gòu)

通過(guò)源代碼可知，PBUF_RAM類(lèi)型的pbuf結(jié)構(gòu)內(nèi)存的大小分別包括offset、length和SIZEOF_STRUCT_PBU。其中offset表示一個(gè)偏移量里面用來(lái)存儲(chǔ)一些首部字段，如TCP報(bào)文首部、IP首部等。由于next和payload占用4個(gè)字，然而tot_len、len和ref占用2個(gè)字節(jié)，type和flags為1個(gè)字節(jié)，因?yàn)閳D2中每一行分配為4個(gè)字節(jié)，所以next和payload各占用一行，tot_len和len兩者共同占用一行，而type、flags和ref三者共同占用一行，最后的空白區(qū)域表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。又因?yàn)槠湎群箜樞虿煌?，最終申請(qǐng)的PBUF_RAM類(lèi)型的pbuf結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 PBUF_POOL類(lèi)型

PBUF_POOL類(lèi)型的pbuf與PBUF_RAM類(lèi)似，都包括offset、length和SIZEOF_STRUCT_PBU，不同之處在于兩者申請(qǐng)內(nèi)存的地方不同，從而導(dǎo)致特性不同，由于分配PBUF_POOL速度快，所以可以用來(lái)存放對(duì)分配內(nèi)存速度要求較高的數(shù)據(jù)。其部分代碼如下：

p=(structpbuf*)memp_malloc(MEMP_PBUF_POOL);

/*獲取PBUF_POOL內(nèi)存大小*/

if (p == NULL) {

PBUF_POOL_IS_EMPTY();

return NULL;}

p->type = type;

p->next = NULL;

p->payload = LwIP_MEM_ALIGN((void *)((u8_t *)

p + (SIZEOF_STRUCT_PBUF + offset)));

break;

由于PBUF_POOL類(lèi)型的pbuf其內(nèi)存是從MEMP_PBUF_POOL中申請(qǐng)得到的，所以能夠通過(guò)在MEMP_PBUF_POOL中改變宏定義PBUF_POOL_SIZE的大小來(lái)設(shè)置內(nèi)存池的個(gè)數(shù)，通過(guò)改變PBUF_POOL_BUFSIZE的數(shù)值來(lái)改變內(nèi)存池大小。但是其不能設(shè)置的太大，要根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)際應(yīng)用的大小來(lái)定義，因?yàn)槊總€(gè)POOL都具有固定大小，如果設(shè)置太大會(huì)造成內(nèi)存的浪費(fèi)[16]，如果設(shè)置太小可能會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

① 每個(gè)pbuf結(jié)構(gòu)在內(nèi)存池中占用的內(nèi)存大小是一定的，假如POOL設(shè)置太小，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存利用率下降；

② 如果pbuf中數(shù)據(jù)區(qū)分配太小,可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組首部信息得存放到下一個(gè)pbuf結(jié)構(gòu)中，從而導(dǎo)致操作不方便。

事實(shí)上,應(yīng)用程序發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個(gè)PBUF_POOL所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，而且內(nèi)存池類(lèi)型的內(nèi)存分配每次分配到的大小是固定的，圖3所示一般需要多個(gè)PBUF_POOL類(lèi)型并通過(guò)指針next指向下一個(gè)PBUF_POOL類(lèi)型，從而使多個(gè)PBUF_POOL類(lèi)型鏈接成一個(gè)鏈表,用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分組。雖然經(jīng)過(guò)多次分配構(gòu)成一個(gè)鏈表，但是它們?nèi)匀皇且粋€(gè)數(shù)據(jù)包，因此只有第一個(gè)pbuf有offset來(lái)存儲(chǔ)有關(guān)數(shù)據(jù)包的信息，其余的則不需要。

圖3 PBUF_POOL

2.3 PBUF_ROM和PBUF_REF類(lèi)型

圖4 PBUF_ROM和PBUF_REF

PBUF_ROM、PBUF_REF與PBUF_POOL一樣都是從內(nèi)存池中申請(qǐng)得到的，但是不同之處是它們使用的是內(nèi)存池MEMP_PBUF。如圖4所示，這兩種類(lèi)型的pbuf所申請(qǐng)的內(nèi)存主要是用來(lái)存放pbuf結(jié)構(gòu)體，并沒(méi)有給數(shù)據(jù)空間申請(qǐng)內(nèi)存，但是這兩個(gè)的數(shù)據(jù)空間可以應(yīng)用其它地方的內(nèi)存(RAM/ROM)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3 pbuf的釋放

在對(duì)pbuf進(jìn)行內(nèi)存釋放的時(shí)候是通過(guò)調(diào)用pbuf_free()來(lái)完成，當(dāng)釋放pbuf的時(shí)候，LwIP會(huì)自動(dòng)檢測(cè)pbuf的類(lèi)型，然后再調(diào)用相關(guān)的函數(shù)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的刪除。但是在對(duì)其內(nèi)存進(jìn)行釋放的時(shí)候需要先滿足一定的條件，其中主要是通過(guò)檢測(cè)ref“引用(reference)”的大小，只有當(dāng)ref的數(shù)值不小于1的時(shí)候，pbuf才有可能被釋放，但不是一定會(huì)被釋放，當(dāng)有其它類(lèi)型的pbuf通過(guò)next指針指向該pbuf的時(shí)候，其相對(duì)應(yīng)的ref的值就會(huì)相對(duì)應(yīng)的增加1，當(dāng)釋放pbuf的時(shí)候其先對(duì)應(yīng)的那個(gè)ref數(shù)值也會(huì)相對(duì)應(yīng)的減去1。當(dāng)有多個(gè)pbuf結(jié)構(gòu)連接在一起時(shí)，釋放第一個(gè)pbuf時(shí)，該pbuf鏈的第二個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)成為pbuf鏈的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)pbuf節(jié)點(diǎn)是否被其它的所引用，即判斷ref是否大于1，如果不大于則繼續(xù)刪除，否則終止。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)是在以Cortex-M3為內(nèi)核的開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行[9]，對(duì)PBUF_RAM類(lèi)型的pbuf在RAM中的內(nèi)存分配和釋放進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，探究了其如何進(jìn)行內(nèi)存分配和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及如何進(jìn)行內(nèi)存的釋放。因?yàn)閜buf的類(lèi)型較多，而且在對(duì)數(shù)據(jù)管理的時(shí)候可能為多種類(lèi)型混合使用，不易針對(duì)某個(gè)類(lèi)型的pbuf進(jìn)行單獨(dú)內(nèi)存分配和釋放實(shí)驗(yàn)。對(duì)該內(nèi)存堆的操作類(lèi)似于C語(yǔ)言中的malloc/free[1,3]。所以該實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)運(yùn)用malloc/free函數(shù)在內(nèi)部?jī)?nèi)存RAM分配和釋放內(nèi)存的方式來(lái)模擬PBUF_RAM在RAM中的分配和釋放[16-18]，并通過(guò)LCD進(jìn)行字符串的存儲(chǔ)地址、寫(xiě)入的字符串，以及RAM使用率的顯示。

其中圖5、圖6中的SRAMIN USED字樣表示RAM的使用率，Addr用來(lái)表示數(shù)據(jù)存放的地址。通過(guò)圖5可以看出，當(dāng)向內(nèi)部?jī)?nèi)存RAM中寫(xiě)入字符串“Memory Malloc Test123”時(shí)，其內(nèi)存使用率為10%，存儲(chǔ)地址為0X2000 92C0，說(shuō)明已經(jīng)將字符串寫(xiě)入到RAM中。圖6是對(duì)其內(nèi)存釋放，可以看出其內(nèi)存使用率減小，其地址變?yōu)?X0000 0000，表明將RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了釋放，但是其內(nèi)存使用率理論上應(yīng)該為0，這里的5%就是內(nèi)存碎片。由于嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存空間是非常寶貴的，尤其對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸而言，如果每次傳輸都產(chǎn)生碎片，那就是資源的浪費(fèi)。所以對(duì)pbuf結(jié)構(gòu)的分析與探究是非常必要的。

圖5 內(nèi)存申請(qǐng)

圖6 內(nèi)存釋放

結(jié) 語(yǔ)

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徐健(副教授)，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量、數(shù)字信號(hào)處理；孫慶，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)。