基于嵌入式系統內存規劃方法的研究

針對有內存管理單元（MMU）的處理器設計的一些桌面操作系統(如Windows、Linux)都使用了虛擬存儲器的概念，虛擬內存地址被送到MMU。在這里，虛擬地址被映射為物理地址，實(shí)際存儲器被分割為相同大小的頁(yè)面，采用分頁(yè)的方式載入進(jìn)程。一個(gè)程序在運行之前，沒(méi)有必要全部裝入內存，而是僅將那些當前要運行的部分頁(yè)面裝入內存運行。大多數嵌入式系統是針對沒(méi)有MMU的處理器設計的，因此不能使用處理器的虛擬內存管理技術(shù)，而采用實(shí)存儲管理策略，從而對內存的訪(fǎng)問(wèn)是直接的。它對地址的訪(fǎng)問(wèn)不需要經(jīng)過(guò)MMU，而是直接送到地址線(xiàn)上輸出，所有程序中訪(fǎng)問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。而且，大多數嵌入式操作系統對內存沒(méi)有保護，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運行空間。一個(gè)進(jìn)程在執行前，系統必須為它分配足夠的連續地址空間，然后全部載入主存儲的連續空間。從編譯內核開(kāi)始，開(kāi)發(fā)人員必須告訴系統，這塊開(kāi)發(fā)板到底擁有多少內存；在開(kāi)發(fā)程序時(shí)，必須考慮內存的分配情況并關(guān)注應用程序需要運行空間的大小。另外，由于采用實(shí)存儲器管理策略，用戶(hù)程序同內核以及其他用戶(hù)程序在一個(gè)地址空間，程序開(kāi)發(fā)時(shí)要保證不侵犯其他應用程序的地址空間，不破壞系統的正常工作，使程序正常運行。因而對內存操作要格外小心。由此可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)者不得不參與系統的內存管理，否則系統的效率和性能都不能令人滿(mǎn)意。開(kāi)發(fā)者可以用一個(gè)內存管理器來(lái)幫助管理內存，可以借鑒流行操作系統對內存池（pool）中塊（block）進(jìn)行管理的思想。訪(fǎng)問(wèn)時(shí)先尋找對應的塊，然后對物理地址進(jìn)行頁(yè)的解碼，進(jìn)而是行解碼，最后是列解碼和根據圖像處理系統處理大量數據的特點(diǎn)，對數據在內存中的布局進(jìn)行規劃。即同一塊中使連續訪(fǎng)問(wèn)的數據在同一頁(yè)；在同一頁(yè)的數據，盡量安排在同一行，減小內存訪(fǎng)問(wèn)延遲，以便對性能進(jìn)行改善。同時(shí)，內存塊間相對位置也用同樣的方法進(jìn)行規劃，使得塊間的轉換也盡快完成。本文采用遺傳算法，同時(shí)對內存數據存儲進(jìn)行頁(yè)、行、列的規劃，對塊間相對位置也進(jìn)行了規劃。

　　1 內存規劃

　　流行的操作系統對內存訪(fǎng)問(wèn)的基本方式是支持快速緩存，執行的過(guò)程是把要訪(fǎng)問(wèn)的地址整行拷貝到緩存區，先進(jìn)行頁(yè)解碼和行解碼，然后進(jìn)行列解碼并根據讀寫(xiě)信號進(jìn)行選擇。目前嵌入式系統中使用的DRAMs都支持高效內存訪(fǎng)問(wèn)模式，還特別支持流行的頁(yè)(page)訪(fǎng)問(wèn)模式和區間(burst)訪(fǎng)問(wèn)模式（相當于以列為主的訪(fǎng)問(wèn)）。這種訪(fǎng)問(wèn)模式消耗的能量低于隨機訪(fǎng)問(wèn)方式，例如，IBM′s Cu-11 Embedded DRAM macro支持的隨機訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間是10ns，而塊中頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)間是5ns，電流分別是60mA/MB和13mA/MB。所以，充分利用內存訪(fǎng)問(wèn)模式的特點(diǎn)可以改變嵌入式系統的性能。

　　為了說(shuō)明本文的規劃思想，假設內存中有如圖1所示的變量a，b，c，d，e，f，g，h。若要訪(fǎng)問(wèn)內存中變量的次序為 acacebdbefgfdah，則根據圖1中內存存放的次序，可以計算出訪(fǎng)問(wèn)延遲的時(shí)間。如果頁(yè)間訪(fǎng)問(wèn)延遲時(shí)間是5個(gè)時(shí)鐘周期，記為Delay(P)= 5cycles，則在同頁(yè)中行間訪(fǎng)問(wèn)延遲Delay(R)=3cycles，同行中列間訪(fǎng)問(wèn)延遲Delay(C)=1cycles。根據圖1(a)和圖1 (b)中兩種存儲模式，可以分別計算出如圖2所示的兩種內存存儲方式下內存訪(fǎng)問(wèn)延遲時(shí)間：Latency(a)=47cycles，Latency（b） =29cycles。

　　同樣，將相互訪(fǎng)問(wèn)頻率較高的內存塊，如三個(gè)數組A、B、C分別存放在不同的內存塊，數組A和數組C是經(jīng)常要進(jìn)行元素間計算的，則把分別存儲A和C的塊放在相鄰的位置上，這樣，既可以減小地址總線(xiàn)的負擔，也可以提高訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和減少訪(fǎng)問(wèn)次數。