搞定了鼠标和键盘这两个外设的处理，终于走到了内存管理这一步。平时写上层应用的时候，就是malloc、free、memset这几件套，较少关注内存多少、内存能不能用等底层细节，但是要制作操作系统，对于内存的检查和管理就不可或缺了，所以一章的内容是比较重要的。

这一章着重介绍了内存的检查和内存容量的管理。

一内存检查

考虑在操作系统上电初始化的时候做一次内存检查，内存检查的代码实现如下：

unsigned int memtest(unsigned int start, unsigned int end)
{char flg486 = 0;unsigned int eflg, cr0, i;/* 确认CPU时386还是486以上的 */eflg = io_load_eflags();eflg |= EFLAGS_AC_BIT; /* AC-bit = 1 */io_store_eflags(eflg);eflg = io_load_eflags();if ((eflg & EFLAGS_AC_BIT) != 0) { /* 如果是386，即使设定AC=1，AC的值还会自动回到0 */flg486 = 1;}eflg &= ~EFLAGS_AC_BIT; /* AC-bit = 0 */io_store_eflags(eflg);if (flg486 != 0) {cr0 = load_cr0();cr0 |= CR0_CACHE_DISABLE; /* 禁止缓存 */store_cr0(cr0);}i = memtest_sub(start, end);if (flg486 != 0) {cr0 = load_cr0();cr0 &= ~CR0_CACHE_DISABLE; /* 允许缓存 */store_cr0(cr0);}return i;
}

内存检查memtest步骤如下：

【1】确认CPU是386还是486以上的

如果是486以上，EFLAGS寄存器的第18位应该是所谓的AC标志位。这里，我们有意识地把1写入到这一位，然后再读出EFLAGS的值，继而检查AC标志位是否仍为1，最后，将AC标志位重置为0。

【2】禁止缓存

为了避免CPU内部的高速缓存（cache memory）对内存管理的影响，这边在进行内存检查之前需要先禁止内部高速缓存，检查完毕之后再开启。

实现的方法也很简单，就是对CR0控制寄存器的第29位NW和第30位CD置位，即可以禁止（具体可以参考我关于寄存器的帖子【操作系统】CPU寄存器详解）。

【3】内存检查memtest_sub

内存检查的思路是这样的，给一段内存赋值0xaa55aa55，尝试反转之后对比是不是变成了0x55aa55aa，然后再反转对比是不是变回0xaa55aa55，如果两次反转结果都正确，那么则认为内存正常无误。

作者一开始使用的C语言实现的，结果最终出来的结果不正确：

unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)
{unsigned int i, *p, old, pat0 = 0xaa55aa55, pat1 = 0x55aa55aa;for (i = start; i <= end; i += 0x1000) {p = (unsigned int *) (i + 0xffc);old = *p;           /* 先记住修改前的值 */*p = pat0;           /* 试写 */*p ^= 0xffffffff;  /* 反转 */if (*p != pat1) {  /* 检查反转结果 */
not_memory:*p = old;break;}*p ^= 0xffffffff;  /* 再次反转 */if (*p != pat0) {    /* 检查值是否恢复 */goto not_memory;}*p = old;            /* 恢复为修改前的值 */}return i;
}

通过查看编译出来的汇编语言，发现GCC在编译这一段C语言是，认为这一段操作反转来反转去还不是原值，所以在编译的过程中优化掉了。所以这一段内存检查的操作，还是需要使用底层的汇编直接实现：

_memtest_sub:    ; unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)PUSH    EDIPUSH ESIPUSH EBXMOV      ESI,0xaa55aa55MOV       EDI,0x55aa55aaMOV       EAX,[ESP+12+4]        ; i = start
mts_loop:MOV        EBX,EAXADD      EBX,0xffc       MOV     EDX,[EBX]MOV        [EBX],ESIXOR        DWORD [EBX],0xffffffffCMP       EDI,[EBX]JNE        mts_finXOR      DWORD [EBX],0xffffffffCMP       ESI,[EBX]JNE        mts_finMOV      [EBX],EDXADD        EAX,0x1000CMP       EAX,[ESP+12+8]JBE     mts_loopPOP     EBXPOP      ESIPOP      EDIRET
mts_fin:MOV     [EBX],EDXPOP        EBXPOP      ESIPOP      EDIRET

【4】允许缓存

禁止缓存的逆操作。

最终打印出来结果如下，检查了系统32M的内存：

二内存管理

内存管理作者这边提到了几种方法：

【1】管理表：比如将一段125M的内存，按4K每块的形式管理，则一共分为32K块。建立一个32K的数组，用数组元素的0/1来代表每块内存是否使用。（优点：简单易理解；缺点：随着总内存的增大，管理表的大小也随之增大）

【2】改进管理表（用位的形式来存储）：对上面的管理表进行优化，因为表示内存使用情况只需要0/1，用比特位来代替字节的表示，可以将内存管理表缩小到原来的1/8。（优点：简单易理解，相比于管理表，占用空间有所缩减；缺点：编程麻烦一些，而且相对于下面第三种方法，占用的空间还是较大）

【3】列表标签的形式管理：结构体记录使用标签，把类似于“从xxx号地址开始的yyy字节的空间是空着的”这种信息存在列表里，并根据实际使用情况进行更新。（优点：占用内存少，存取速度快，前两种都需要循环查表的操作，这个方法不用；缺点：管理程序变的复杂了，而且如果内存使用比较零散时，记录也会相应地增加）

struct FREEINFO { /* 可用状况 */unsigned int addr, size;
};
struct MEMMAN { /* 内存管理 */int frees;struct FREEINFO free[1000];
};struct MEMMAN memman;
memman.frees = 1; /* 可用状况list中只有1件 */
memman.free[0].addr = 0x0040 0000; /* 从0x00400000号地址开始，有124MB可用 */
memman.free[0].size = 0x07c0 0000;

为了简化开发，我们基于第三种方法，采用了一种“暂时割舍小块内存”的优化方法，只有当memman有空余的时候，才会对割舍掉内存进行检查找回。

申请内存memman_alloc如下（该函数很简单，不再赘述）：

#define MEMMAN_FREES     4090    // 大约是 32 KB
#define MEMMAN_ADDR         0x003c0000struct FREEINFO {    /* 可用信息 */unsigned int addr, size;
};struct MEMMAN {      /* 内存管理 */int frees, maxfrees, lostsize, losts;struct FREEINFO free[MEMMAN_FREES];
};void memman_init(struct MEMMAN *man){man->frees = 0;            /* 可用信息数目 */man->maxfrees = 0;         /* 可用于观察可用状况:frees的最大值 */man->losts = 0;            /* 释放失败的内存大小总和 */man->lostsize = 0;         /* 释放失败次数 */return;
}unsigned int memman_total(struct MEMMAN *man){unsigned int i, t = 0;for (i = 0; i < man->frees; i++) {t += man->free[i].size;}return t;
}/*** @return start address of the mem ; 0 if can't alloc*/
unsigned int memman_alloc(struct MEMMAN *man, unsigned int size){unsigned int i, a;for (i = 0; i < man->frees; i++) {if (man->free[i].size >= size) {// 找到足够大的内存空间a = man->free[i].addr;man->free[i].addr += size;man->free[i].size -= size;if (man->free[i].size == 0) {man->frees--;// del 1 INFOfor (; i < man->frees; i++) {// 移位处理，余量充足man->free[i] = man->free[i + 1];}}return a;}}return 0;
}

释放内存memman_free如下：

/*** @brief 向 addr 处分配 size 大小的内存空间，考虑到前后内存的合并* * @param man * @param addr * @param size * @return 0 if successful ; -1 if fails*/
int memman_free(struct MEMMAN *man, unsigned int addr, unsigned int size) {int i, j;/* 假装 free[] addr 是按照顺序排列的 */// 寻找地址// free[i - 1].addr < addr < free[i].addr for (i = 0; i < man->frees; i++) {if (man->free[i].addr > addr) {break;}}/* 前面有可用内存 */if (i > 0) {if (man->free[i - 1].addr + man->free[i - 1].size == addr) {/* 【1】与前面的内存合并 */man->free[i - 1].size += size;/* 【2】后面有可用内存 */if (i < man->frees) {if (addr + size == man->free[i].addr) {// 与后面的合并man->free[i - 1].size += man->free[i].size;man->frees--;for (; i < man->frees; i++) {man->free[i] = man->free[i + 1];}}}return 0;}}/* 【3】后面有可用内存 */if (i < man->frees) {if (addr + size == man->free[i].addr) {// 与后面的合并man->free[i].addr = addr;man->free[i].size += size;return 0;}}/* 【4】既不能与前面归纳到一起，也不能与后面归纳到一起 */if (man->frees < MEMMAN_FREES) {// free[i] 之后的向后挪for (j = man->frees; j > i; j--) {man->free[j] = man->free[j - 1];}man->free[i].addr = addr;man->free[i].size = size;man->frees++;if (man->maxfrees > man->frees) {// 更新最大值man->maxfrees = man->frees;}return 0;}man->losts++;man->lostsize += size;return -1;
}

这个memman_free略显复杂，这边做一个详细的讲解，上面代码注释中的【1-4】分别代表了内存释放的几种情况：

【1】与前面内存合并的情况：

【2】前后相接的情况：

【3】与后面内存合并的情况：

【4】与前后均不相接的情况：

除了上面四种情形之外的其他情形，诸如重复free同一块内存（double free）、free越界等情况，均视为free失败，报错退出。

综上，在主函数中的实际操作如下：

#define MEMMAN_ADDR          0x003c0000
void HariMain(void)
{//（中略）unsigned int memtotal;struct MEMMAN *memman = (struct MEMMAN *) MEMMAN_ADDR;//（中略）memtotal = memtest(0x00400000, 0xbfffffff);memman_init(memman);memman_free(memman, 0x00001000, 0x0009e000); /* 0x00001000 - 0x0009efff */memman_free(memman, 0x00400000, memtotal - 0x00400000);//（中略）sprintf(s, "memory %dMB free : %dKB",memtotal / (1024 * 1024), memman_total(memman) / 1024);putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 32, COL8_FFFFFF, s);
}

运行结果如下：

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