基于虛擬存儲的嵌入式存儲系統的設計方法
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嵌入式系統由嵌入式硬件和固化在硬件平臺中的嵌入式軟件組成。傳統的小規模嵌入式系統，軟件多采用前后臺的方法，通常應用于實(shí)時(shí)性要求不高的簡(jiǎn)單場(chǎng)合；對于復雜的應用場(chǎng)合，較為普遍的做法是給系統配上嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（RTOS），這樣不僅能夠使系統具有良好的實(shí)時(shí)性能，降低軟件編制的工作量，還可以提高整個(gè)系統的穩定性。此外，為了簡(jiǎn)化用戶(hù)程序，系統通常要提供一些必要的庫函數供用戶(hù)調用。同前后臺系統相比，這種實(shí)時(shí)嵌入式系統增加了系統存儲空間的開(kāi)銷(xiāo)。Intel 8051系列及各種兼容的單片機因其極高的性?xún)r(jià)比、豐富的庫函數和長(cháng)期的技術(shù)積累等背景而被廣泛應用于各種嵌入式領(lǐng)域中。受傳統單片機尋址空間的限制，嵌入式應用中經(jīng)常需要進(jìn)行存儲空間擴展。本文借鑒傳統計算機系統設計中的虛擬存儲技術(shù)，以8051單片機為例提出一種采用頁(yè)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 存儲系統的組織
2.1 虛擬存儲系統
計算機系統中常采用虛擬存儲技術(shù)來(lái)擴展存儲系統容量，頁(yè)式虛擬存儲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)，地址變換機構（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)式存儲器組織關(guān)系如圖1。
虛擬存儲系統利用計算機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(hù)程序地址。實(shí)際計算機系統的頁(yè)式虛擬存儲要比這復雜得多，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，然而在嵌入式系統中這些都可以簡(jiǎn)化乃至省去。
2.2 單片機嵌入式系統程序存儲區擴展
受虛擬存儲系統啟發(fā)，我們把上述方法作了一些修改以應用于嵌入式系統中。由于系統設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(jiǎn)單起見(jiàn)，以64k為一頁(yè)，將256k虛擬地址分為4頁(yè)映射到單片機的64k空間。嵌入式系統中地址變換機構可被簡(jiǎn)化：?jiǎn)纹瑱C沒(méi)有專(zhuān)用的頁(yè)表基址寄存器，可以通過(guò)額外的端口線(xiàn)（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(xún)可用一個(gè)跳轉表實(shí)現。然而頁(yè)面切換前后必須保證能夠正確訪(fǎng)問(wèn)到跳轉表，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所示的結構，其中公共段中存放了高32k段之間相互調用所需要
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的跳轉表。各段相互調用之前應先跳轉到公共段，執行頁(yè)面切換后再跳轉到被調用程序的入口，這就實(shí)現了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)，相應的跳轉表程序結構如下：
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(kāi)中斷
JMP REAL_ADDR ；跳轉
在公共段（256k存儲芯片的低32k）中存放操作系統和提供給用戶(hù)的其他庫函數，其他各段用來(lái)存放嵌入式系統的用戶(hù)程序。采用圖2結構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(xiàn)接法與普通存儲器擴展方法相同。
Keil C51編譯器是單片機開(kāi)發(fā)應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 單片機嵌入式系統數據存儲區擴展
嵌入式系統中引入操作系統需要增加一定的數據存儲器開(kāi)銷(xiāo)，必要時(shí)仍可以采用分頁(yè)技術(shù)擴展數據存儲區容量。
引入操作系統以后，數據區有兩種組織方法，比較簡(jiǎn)單的一種方法是操作系統與用戶(hù)程序共用一個(gè)數據區，編譯器將整個(gè)程序一起編譯，不必區分是系統程序還是用戶(hù)程序。但這樣對用戶(hù)來(lái)說(shuō)操作系統變得不透明了，而且不良的用戶(hù)程序可能會(huì )破壞系統的數據區，導致整個(gè)系統崩潰。
相對應的另一種方法是給操作系統與用戶(hù)程序分別分配獨立的數據區，譬如將128k 數據存儲器給操作系統和用戶(hù)程序各分配64k。不幸地是，當操作系統與用戶(hù)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，這樣即使存儲器物理上是分開(kāi)的，操作系統與用戶(hù)程序的數據區還是無(wú)法地址復用，這極大地浪費了地址空間；而且對傳統的單片機， Keil C 編譯器最大只支持64k數據區，幸運地是，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編譯，并且在鏈接、定位目標代碼時(shí)，給操作系統和公共庫函數的每個(gè)函數在0x0000～0x7FFFH內分別指定一個(gè)固定的首地址。鑒于用戶(hù)程序可能調用這些函數，需要為這些函數分別編寫(xiě)一個(gè)相同類(lèi)型的同名偽函數，每個(gè)偽函數僅包含一條到真實(shí)函數（入口地址已知）的轉移指令，所有這些函數都存放在一個(gè)被稱(chēng)為虛擬接口的頭文件中。虛擬接口文件與用戶(hù)程序一起編譯，完成用戶(hù)程序與操作系統兩次編譯的接口。顯然這種方法僅占用了用戶(hù)區的極少量代碼空間，而絲毫沒(méi)有浪費用戶(hù)數據區，同時(shí)又實(shí)現了地址復用。
公共代碼段和操作系統的數據區特殊的對應關(guān)系（見(jiàn)圖4），很容易通過(guò)P2端口線(xiàn)來(lái)指定。由單片機外部程序區訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序（圖 5）可知，PSEN的上升沿后數據總線(xiàn)A0～A7上開(kāi)始出現指令或指令操作數，此時(shí)的地址線(xiàn)A15指示當前訪(fǎng)問(wèn)的是公共代碼段（對應數據區高64k）還是其他程序段（對應數據區低64k），因此在PSEN上升沿鎖存地址線(xiàn)A15，用它可以選擇不同的數據存儲器空間。
3 存儲系統的性能分析
本文基于虛擬存儲系統思想實(shí)現了嵌入式系統中大容量存儲器的擴展。不難看出系統的擴展余地受端口線(xiàn)的限制。由于在同一塊芯片中構造圖2所示的結構，需要多使用一根端口線(xiàn)，因此對于8051系列使用整個(gè)P1口可以將系統的程序虛擬空間擴展至8M字節。數據存儲區擴展的最大容量還與程序在編譯時(shí)所被分成塊的數目有關(guān)，最大可達16M字節，這在單片機嵌入式系統中已經(jīng)是足夠大了。
程序在調用不同頁(yè)面的函數時(shí)需要額外的軟件切換周期，頻繁的頁(yè)面切換會(huì )降低系統的性能，因此編譯時(shí)應仔細選擇函數，盡可能將相關(guān)的函數分配在同一頁(yè)中。
數據存儲區切換是由硬件實(shí)現的，頁(yè)面切換并不降低系統性能。由于操作系統與用戶(hù)程序數據區相互獨立，對用戶(hù)來(lái)說(shuō)整個(gè)64k空間都是可用的，這就增加了操作系統的透明性。
4結論
嵌入式系統由于它的專(zhuān)用性和特殊性，系統的軟硬件設計都與傳統的計算機系統設計方法有所不同。但進(jìn)行嵌入式系統設計時(shí)仍然很有必要借鑒傳統計算機系統體系結構成熟的設計方法，“量體裁衣”為我所用。作者在進(jìn)行嵌入式平臺設計時(shí)借鑒了傳統計算機虛擬存儲思想來(lái)擴展存儲系統，并在實(shí)際項目中得以應用，證明這種方法是非常有效的。
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