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嵌入式是本科所學(xué)的嗎_基于虛擬存儲(chǔ)的嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

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發(fā)表于 2020-8-3 11:13:07 | 只看該作者 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
嵌入式是本科所學(xué)的嗎_基于虛擬存儲(chǔ)的嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tái)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(tái)的方法,通常應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求不高的簡(jiǎn)單場(chǎng)合;對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合,較為普遍的做法是給系統(tǒng)配上嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS),這樣不僅能夠使系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性能,降低軟件編制的工作量,還可以提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外,為了簡(jiǎn)化用戶程序,系統(tǒng)通常要提供一些必要的庫(kù)函數(shù)供用戶調(diào)用。同前后臺(tái)系統(tǒng)相比,這種實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)增加了系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的開銷。Intel 8051系列及各種兼容的單片機(jī)因其極高的性價(jià)比、豐富的庫(kù)函數(shù)和長(zhǎng)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(jī)尋址空間的限制,嵌入式應(yīng)用中經(jīng)常需要進(jìn)行存儲(chǔ)空間擴(kuò)展。本文借鑒傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的虛擬存儲(chǔ)技術(shù),以8051單片機(jī)為例提出一種采用頁(yè)面分組和虛擬接口技術(shù)擴(kuò)展存儲(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)的組織

2.1 虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)

  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常采用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)系統(tǒng)容量,頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器是常用的一種組織方法。在這種方法下,整個(gè)虛擬地址空間和主存空間均被分成容量相等的若干頁(yè),地址變換機(jī)構(gòu)(通常是一個(gè)快速地址變換表)建立了虛擬空間到主存空間虛頁(yè)到實(shí)頁(yè)的映射。頁(yè)式存儲(chǔ)器組織關(guān)系如圖1。

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



  

2.2 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)擴(kuò)展



  受虛擬存儲(chǔ)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(jì)選用的外部程序存儲(chǔ)器容量為256k,而一般單片機(jī)(如 8051系列)的尋址空間為64k,為簡(jiǎn)單起見(jiàn),以64k為一頁(yè),將256k虛擬地址分為4頁(yè)映射到單片機(jī)的64k空間。嵌入式系統(tǒng)中地址變換機(jī)構(gòu)可被簡(jiǎn)化:?jiǎn)纹瑱C(jī)沒(méi)有專用的頁(yè)表基址寄存器,可以通過(guò)額外的端口線(如P1.0,P1.1,P1.2等)作為基址指定不同的頁(yè)面,頁(yè)表查詢可用一個(gè)跳轉(zhuǎn)表實(shí)現(xiàn)。然而頁(yè)面切換前后必須保證能夠正確訪問(wèn)到跳轉(zhuǎn)表,因此所有64k頁(yè)面都需要有一個(gè)完全相同的代碼段用來(lái)存放跳轉(zhuǎn)表和中斷矢量等公共資源。

  為提高存儲(chǔ)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(yè)面切換后再跳轉(zhuǎn)到被調(diào)用程序的入口,這就實(shí)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(yè)面基址來(lái)指定不同的頁(yè),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(yè)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(chǔ)芯片的低32k)中存放操作系統(tǒng)和提供給用戶的其他庫(kù)函數(shù),其他各段用來(lái)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(jī)與存儲(chǔ)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(chǔ)器擴(kuò)展方法相同。









  



以上考慮了復(fù)位時(shí)頁(yè)面應(yīng)切換到公共代碼區(qū)。



Keil C51編譯器是單片機(jī)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(yè)面分組技術(shù)。



2.3 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)擴(kuò)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(chǔ)器開銷,必要時(shí)仍可以采用分頁(yè)技術(shù)擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jiǎn)單的一種方法是操作系統(tǒng)與用戶程序共用一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū),編譯器將整個(gè)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(duì)用戶來(lái)說(shuō)操作系統(tǒng)變得不透明了,而且不良的用戶程序可能會(huì)破壞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)區(qū),導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。



  相對(duì)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(dú)立的數(shù)據(jù)區(qū),譬如將128k 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器給操作系統(tǒng)和用戶程序各分配64k。不幸地是,當(dāng)操作系統(tǒng)與用戶程序一起編譯時(shí),編譯器會(huì)自動(dòng)給它們分配不同的地址,這樣即使存儲(chǔ)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(wú)法地址復(fù)用,這極大地浪費(fèi)了地址空間;而且對(duì)傳統(tǒng)的單片機(jī), Keil C 編譯器最大只支持64k數(shù)據(jù)區(qū),幸運(yùn)地是,這個(gè)矛盾可以通過(guò)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(dú)編譯,并且在鏈接、定位目標(biāo)代碼時(shí),給操作系統(tǒng)和公共庫(kù)函數(shù)的每個(gè)函數(shù)在0x0000~0x7FFFH內(nèi)分別指定一個(gè)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(gè)相同類型的同名偽函數(shù),每個(gè)偽函數(shù)僅包含一條到真實(shí)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(gè)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(méi)有浪費(fèi)用戶數(shù)據(jù)區(qū),同時(shí)又實(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)圖4),很容易通過(guò)P2端口線來(lái)指定。由單片機(jī)外部程序區(qū)訪問(wèn)時(shí)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(shí)的地址線A15指示當(dāng)前訪問(wèn)的是公共代碼段(對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)高64k)還是其他程序段(對(duì)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(chǔ)器空間。











  





3 存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能分析



  本文基于虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)思想實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)中大容量存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。不難看出系統(tǒng)的擴(kuò)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(duì)于8051系列使用整個(gè)P1口可以將系統(tǒng)的程序虛擬空間擴(kuò)展至8M字節(jié)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)擴(kuò)展的最大容量還與程序在編譯時(shí)所被分成塊的數(shù)目有關(guān),最大可達(dá)16M字節(jié),這在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)中已經(jīng)是足夠大了。



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



  數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)切換是由硬件實(shí)現(xiàn)的,頁(yè)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(dú)立,對(duì)用戶來(lái)說(shuō)整個(gè)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(jì)都與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有所不同。但進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)仍然很有必要借鑒傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)成熟的設(shè)計(jì)方法,“量體裁衣”為我所用。作者在進(jìn)行嵌入式平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)借鑒了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)虛擬存儲(chǔ)思想來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)系統(tǒng),并在實(shí)際項(xiàng)目中得以應(yīng)用,證明這種方法是非常有效的。

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