基于虛擬存儲的嵌入式存儲系統(tǒng)的設(shè)計方法

? 1、引言

　　嵌入式系統(tǒng)由嵌入式硬件和固化在硬件平臺中的嵌入式軟件組成。傳統(tǒng)的小規(guī)模嵌入式系統(tǒng)，軟件多采用前后臺的方法，通常應(yīng)用于實時性要求不高的簡單場合；對于復(fù)雜的應(yīng)用場合，較為普遍的做法是給系統(tǒng)配上嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)，這樣不僅能夠使系統(tǒng)具有良好的實時性能，降低軟件編制的工作量，還可以提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，為了簡化用戶程序，系統(tǒng)通常要提供一些必要的庫函數(shù)供用戶調(diào)用。同前后臺系統(tǒng)相比，這種實時嵌入式系統(tǒng)增加了系統(tǒng)存儲空間的開銷。Intel 8051系列及各種兼容的單片機因其極高的性價比、豐富的庫函數(shù)和長期的技術(shù)積累等背景而被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式領(lǐng)域中。受傳統(tǒng)單片機尋址空間的限制，嵌入式應(yīng)用中經(jīng)常需要進行存儲空間擴展。本文借鑒傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)設(shè)計中的虛擬存儲技術(shù)，以8051單片機為例提出一種采用頁面分組和虛擬接口技術(shù)擴展存儲空間的方法。本方法與Keil C編譯器具有良好的兼容性。

　　2、存儲系統(tǒng)的組織

　　2.1.虛擬存儲系統(tǒng)

　　計算機系統(tǒng)中常采用虛擬存儲技術(shù)來擴展存儲系統(tǒng)容量，頁式虛擬存儲器是常用的一種組織方法。在這種方法下，整個虛擬地址空間和主存空間均被分成容量相等的若干頁，地址變換機構(gòu)(通常是一個快速地址變換表)建立了虛擬空間到主存空間虛頁到實頁的映射。頁式存儲器組織關(guān)系如圖1。

　　虛擬存儲系統(tǒng)利用計算機CPU中的一組寄存器堆作為頁表基址寄存器，如圖1(b)所示，它與頁表一起給出用戶程序地址。實際計算機系統(tǒng)的頁式虛擬存儲要比這復(fù)雜得多，還需考慮未命中時的外部地址變換以及頁面替換算法，然而在嵌入式系統(tǒng)中這些都可以簡化乃至省去。

　　2.2.單片機嵌入式系統(tǒng)程序存儲區(qū)擴展

　　受虛擬存儲系統(tǒng)啟發(fā)，我們把上述方法作了一些修改以應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。由于系統(tǒng)設(shè)計選用的外部程序存儲器容量為256k，而一般單片機(如 8051系列)的尋址空間為64k，為簡單起見，以64k為一頁，將256k虛擬地址分為4頁映射到單片機的64k空間。嵌入式系統(tǒng)中地址變換機構(gòu)可被簡化：單片機沒有專用的頁表基址寄存器，可以通過額外的端口線(如P1.0，P1.1，P1.2等)作為基址指定不同的頁面，頁表查詢可用一個跳轉(zhuǎn)表實現(xiàn)。然而頁面切換前后必須保證能夠正確訪問到跳轉(zhuǎn)表，因此所有64k頁面都需要有一個完全相同的代碼段用來存放跳轉(zhuǎn)表和中斷矢量等公共資源。

　　為提高存儲器利用率可采用圖2所示的結(jié)構(gòu)，其中公共段中存放了高32k段之間相互調(diào)用所需要的跳轉(zhuǎn)表。各段相互調(diào)用之前應(yīng)先跳轉(zhuǎn)到公共段，執(zhí)行頁面切換后再跳轉(zhuǎn)到被調(diào)用程序的入口，這就實現(xiàn)了18位虛擬地址到16位主存地址的變換。不妨以P1.0，P1.1，P1.2作為頁面基址來指定不同的頁，相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)表程序結(jié)構(gòu)如下：

　　ADDR：CLR EA ;關(guān)中斷

　　SETB/CLR P1.0 ;切換頁面

　　SETB/CLR P1.1

　　SETB/CLR P1.2

　　SETB EA ;開中斷

　　JMP REAL_ADDR ;跳轉(zhuǎn)

　　在公共段(256k存儲芯片的低32k)中存放操作系統(tǒng)和提供給用戶的其他庫函數(shù)，其他各段用來存放嵌入式系統(tǒng)的用戶程序。采用圖2結(jié)構(gòu)的單片機與存儲器接口原理圖如圖3所示。其中A0～A15地址線接法與普通存儲器擴展方法相同。

　　以上考慮了復(fù)位時頁面應(yīng)切換到公共代碼區(qū)。

　　Keil C51編譯器是單片機開發(fā)應(yīng)用中非常流行的一種高效編譯器，它支持上述頁面分組技術(shù)。

　　2.3.單片機嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲區(qū)擴展

　　嵌入式系統(tǒng)中引入操作系統(tǒng)需要增加一定的數(shù)據(jù)存儲器開銷，必要時仍可以采用分頁技術(shù)擴展數(shù)據(jù)存儲區(qū)容量。

　　引入操作系統(tǒng)以后，數(shù)據(jù)區(qū)有兩種組織方法，比較簡單的一種方法是操作系統(tǒng)與用戶程序共用一個數(shù)據(jù)區(qū)，編譯器將整個程序一起編譯，不必區(qū)分是系統(tǒng)程序還是用戶程序。但這樣對用戶來說操作系統(tǒng)變得不透明了，而且不良的用戶程序可能會破壞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)區(qū)，導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。

　　相對應(yīng)的另一種方法是給操作系統(tǒng)與用戶程序分別分配獨立的數(shù)據(jù)區(qū)，譬如將128k 數(shù)據(jù)存儲器給操作系統(tǒng)和用戶程序各分配64k。不幸地是，當操作系統(tǒng)與用戶程序一起編譯時，編譯器會自動給它們分配不同的地址，這樣即使存儲器物理上是分開的，操作系統(tǒng)與用戶程序的數(shù)據(jù)區(qū)還是無法地址復(fù)用，這極大地浪費了地址空間;而且對傳統(tǒng)的單片機， Keil C 編譯器最大只支持64k數(shù)據(jù)區(qū)，幸運地是，這個矛盾可以通過采用虛擬接口的方法加以解決。

　　為此，將公共代碼段中的程序單獨編譯，并且在鏈接、定位目標代碼時，給操作系統(tǒng)和公共庫函數(shù)的每個函數(shù)在0x0000～0x7FFFH內(nèi)分別指定一個固定的首地址。鑒于用戶程序可能調(diào)用這些函數(shù)，需要為這些函數(shù)分別編寫一個相同類型的同名偽函數(shù)，每個偽函數(shù)僅包含一條到真實函數(shù)(入口地址已知)的轉(zhuǎn)移指令，所有這些函數(shù)都存放在一個被稱為虛擬接口的頭文件中。虛擬接口文件與用戶程序一起編譯，完成用戶程序與操作系統(tǒng)兩次編譯的接口。顯然這種方法僅占用了用戶區(qū)的極少量代碼空間，而絲毫沒有浪費用戶數(shù)據(jù)區(qū)，同時又實現(xiàn)了地址復(fù)用。

　　公共代碼段和操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)區(qū)特殊的對應(yīng)關(guān)系(見圖4)，很容易通過P2端口線來指定。由單片機外部程序區(qū)訪問時序(圖 5)可知，PSEN的上升沿后數(shù)據(jù)總線A0～A7上開始出現(xiàn)指令或指令操作數(shù)，此時的地址線A15指示當前訪問的是公共代碼段(對應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)高64k)還是其他程序段(對應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)低64k)，因此在PSEN上升沿鎖存地址線A15，用它可以選擇不同的數(shù)據(jù)存儲器空間。

　　3、存儲系統(tǒng)的性能分析

　　本文基于虛擬存儲系統(tǒng)思想實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)中大容量存儲器的擴展。不難看出系統(tǒng)的擴展余地受端口線的限制。由于在同一塊芯片中構(gòu)造圖2所示的結(jié)構(gòu)，需要多使用一根端口線，因此對于8051系列使用整個P1口可以將系統(tǒng)的程序虛擬空間擴展至8M字節(jié)。數(shù)據(jù)存儲區(qū)擴展的最大容量還與程序在編譯時所被分成塊的數(shù)目有關(guān)，最大可達16M字節(jié)，這在單片機嵌入式系統(tǒng)中已經(jīng)是足夠大了。

　　程序在調(diào)用不同頁面的函數(shù)時需要額外的軟件切換周期，頻繁的頁面切換會降低系統(tǒng)的性能，因此編譯時應(yīng)仔細選擇函數(shù)，盡可能將相關(guān)的函數(shù)分配在同一頁中。

　　數(shù)據(jù)存儲區(qū)切換是由硬件實現(xiàn)的，頁面切換并不降低系統(tǒng)性能。由于操作系統(tǒng)與用戶程序數(shù)據(jù)區(qū)相互獨立，對用戶來說整個64k空間都是可用的，這就增加了操作系統(tǒng)的透明性。

　　4、結(jié)論

　　嵌入式系統(tǒng)由于它的專用性和特殊性，系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計都與傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)設(shè)計方法有所不同。但進行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計時仍然很有必要借鑒傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)成熟的設(shè)計方法，“量體裁衣”為我所用。作者在進行嵌入式平臺設(shè)計時借鑒了傳統(tǒng)計算機虛擬存儲思想來擴展存儲系統(tǒng)，并在實際項目中得以應(yīng)用，證明這種方法是非常有效的。