一、動態內存池設計

在嵌入式系統中，頻繁使用 malloc 和 free 會導致內存碎片和性能問題。動態內存池通過預分配固定大小的內存塊，并統一管理分配與釋放，顯著提高內存使用效率和實時性。

1. 核心設計思路

• 預分配內存：將內存劃分為多個固定大小的塊（例如 32、64、128 字節）。
• 空閑塊管理：通過鏈表維護空閑塊，分配時從鏈表取塊，釋放時歸還鏈表。
• 避免碎片：固定塊大小消除外部碎片，鏈表管理消除內部碎片。

2. 代碼實現

// 內存池結構體定義
typedef struct {uint8_t *pool;          // 內存池起始地址uint16_t block_size;    // 每個塊的大小uint16_t total_blocks;  // 總塊數void **free_list;       // 空閑塊鏈表（指針數組）uint16_t free_count;    // 空閑塊數量
} MemoryPool;// 初始化內存池
void mempool_init(MemoryPool *mp, uint8_t *buffer, uint16_t block_size, uint16_t total_blocks) {mp->pool = buffer;mp->block_size = block_size;mp->total_blocks = total_blocks;mp->free_list = (void**)buffer;mp->free_count = total_blocks;// 初始化空閑鏈表（每個塊存儲下一個塊的地址）for (int i = 0; i < total_blocks; i++) {void **block = (void**)(buffer + i * block_size);if (i == total_blocks - 1) *block = NULL;else *block = (void*)(buffer + (i + 1) * block_size);}
}// 分配內存塊
void *mempool_alloc(MemoryPool *mp) {if (mp->free_count == 0) return NULL; // 無空閑塊void *block = mp->free_list;          // 取出第一個空閑塊mp->free_list = *((void**)block);     // 更新鏈表頭mp->free_count--;return block;
}// 釋放內存塊
void mempool_free(MemoryPool *mp, void *block) {*((void**)block) = mp->free_list; // 將塊插入鏈表頭部mp->free_list = block;mp->free_count++;
}

3. 應用場景

• FreeRTOS 任務通信：為隊列、信號量等動態對象提供預分配內存。
• 傳感器數據處理：固定大小的數據包（如藍牙指令幀）直接分配內存塊。

二、環形緩沖區（RTOS任務通信）

環形緩沖區（Circular Buffer）是一種高效的數據結構，適用于生產者（如傳感器任務）和消費者（如控制任務）之間的異步通信，避免數據覆蓋并減少鎖競爭。?

1. 核心設計思路

• 循環存儲：讀寫指針通過取模運算循環移動，覆蓋舊數據時自動丟棄。
• 線程安全：在RTOS中，使用互斥鎖（如FreeRTOS的xSemaphoreTake/xSemaphoreGive）保護緩沖區操作。

2. 代碼實現

// 環形緩沖區結構體定義
typedef struct {uint8_t *buffer;        // 緩沖區起始地址uint16_t size;          // 緩沖區總大小uint16_t head;          // 寫指針（生產者）uint16_t tail;          // 讀指針（消費者）SemaphoreHandle_t mutex;// FreeRTOS互斥鎖
} RingBuffer;// 初始化環形緩沖區
void ringbuf_init(RingBuffer *rb, uint8_t *buffer, uint16_t size) {rb->buffer = buffer;rb->size = size;rb->head = rb->tail = 0;rb->mutex = xSemaphoreCreateMutex(); // 創建互斥鎖
}// 寫入數據（生產者任務）
bool ringbuf_push(RingBuffer *rb, uint8_t data) {xSemaphoreTake(rb->mutex, portMAX_DELAY); // 獲取鎖uint16_t next_head = (rb->head + 1) % rb->size;if (next_head == rb->tail) { // 緩沖區滿xSemaphoreGive(rb->mutex);return false;}rb->buffer[rb->head] = data;rb->head = next_head;xSemaphoreGive(rb->mutex);return true;
}// 讀取數據（消費者任務）
bool ringbuf_pop(RingBuffer *rb, uint8_t *data) {xSemaphoreTake(rb->mutex, portMAX_DELAY); // 獲取鎖if (rb->tail == rb->head) { // 緩沖區空xSemaphoreGive(rb->mutex);return false;}*data = rb->buffer[rb->tail];rb->tail = (rb->tail + 1) % rb->size;xSemaphoreGive(rb->mutex);return true;
}

3. 應用場景

• 傳感器數據緩沖：如智能小車項目中，紅外傳感器數據通過環形緩沖區傳遞至控制任務。
• 通信協議解析：藍牙指令幀按字節寫入緩沖區，消費者任務解析完整幀后處理。

三、結合FreeRTOS的實戰示例?

在六足機器人項目中，動態內存池和環形緩沖區的典型應用如下：?

1. 動態內存池管理舵機指令

// 定義舵機指令內存池（每個指令占4字節）
#define SERVO_CMD_SIZE 4
#define MAX_SERVO_CMDS 10
uint8_t servo_cmd_pool[MAX_SERVO_CMDS * SERVO_CMD_SIZE];
MemoryPool servo_mempool;// 初始化內存池
mempool_init(&servo_mempool, servo_cmd_pool, SERVO_CMD_SIZE, MAX_SERVO_CMDS);// 任務中分配指令內存
void vServoTask(void *pvParameters) {while (1) {uint8_t *cmd = (uint8_t*)mempool_alloc(&servo_mempool);if (cmd != NULL) {// 生成舵機指令并發送generate_servo_cmd(cmd);send_servo_cmd(cmd);mempool_free(&servo_mempool, cmd); // 釋放內存}vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));}
}

2.?環形緩沖區傳遞目標坐標

// 定義目標坐標緩沖區
#define DETECTION_BUFFER_SIZE 20
uint8_t detection_buffer[DETECTION_BUFFER_SIZE];
RingBuffer detection_rb;// 初始化緩沖區
ringbuf_init(&detection_rb, detection_buffer, DETECTION_BUFFER_SIZE);// 傳感器任務寫入數據
void vSensorTask(void *pvParameters) {while (1) {uint8_t data = read_sensor_data();ringbuf_push(&detection_rb, data); // 寫入緩沖區vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5));}
}// 控制任務讀取數據
void vControlTask(void *pvParameters) {while (1) {uint8_t data;if (ringbuf_pop(&detection_rb, &data)) {process_detection_data(data); // 處理數據}vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5));}
}

3.總結

• 動態內存池：通過預分配和鏈表管理，解決內存碎片問題，適用于固定大小對象的頻繁分配（如通信協議幀）。
• 環形緩沖區：通過循環存儲和互斥鎖保護，實現高效任務間通信，適用于流式數據傳輸（如傳感器數據）。
• FreeRTOS集成：結合互斥鎖和任務調度機制，確保線程安全和實時性。