單片機系統的數據存儲和管理

　　引言

　　在自動(dòng)化測試領(lǐng)域里，單片機測試系統憑借其成熟的應用體系，簡(jiǎn)單的系統結構以及優(yōu)良的性?xún)r(jià)比得到了越來(lái)越廣泛的應用。近年來(lái)，隨著(zhù)新的測試對象不斷出現，以及測試手段的不斷發(fā)展，測試系統的功能越來(lái)越完善，各種應用場(chǎng)合對測試系統的要求也日益提高?，F在的大多數測試系統不僅要完成工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)測控任務(wù)，同時(shí)還要進(jìn)一步實(shí)現對測試數據的實(shí)時(shí)處理和保存。以往在一般的單片機測試系統中，信息的存儲量并不大，系統只須用較少的資源就能實(shí)現數據的存儲。但是隨著(zhù)存儲芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，適用于單片機系統的存儲芯片已經(jīng)可以在掉電保護的情況下保存上百ＫＢ甚至幾ＭＢ的數據；同樣，目前的單片機測試系統也面臨動(dòng)輒處理并保存上千條乃至近萬(wàn)條測試數據的問(wèn)題。這對一般的缺少操作系統支持的單片機測試系統來(lái)說(shuō)，是一項相當復雜的工作，因而目前的測試系統往往只能針對具體數值對象進(jìn)行處理，對大量采集數據采取簡(jiǎn)單的順序存儲方式。顯然，這種方法缺少靈活性，不利于單片機測試系統處理大量測試數據，限制了測試系統在這方面的發(fā)展。

　　本文主要針對處理測試數據量較大的一類(lèi)測試系統，討論測試數據的存儲和管理問(wèn)題。這類(lèi)測試系統往往由抗干擾能力較強的單片機和大容量、掉電保護的存儲芯片組成，同時(shí)配有高精度數字式傳感器；造價(jià)便宜，性能穩定，適合工作在工業(yè)現場(chǎng)，保存和處理大量測試數據，有的甚至能夠與上位機組成測控網(wǎng)絡(luò )完成更為復雜的測試任務(wù)。本文將介紹一種應用于單片機測試系統的鏈式存儲方式，能夠在工業(yè)現場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測控的同時(shí)，實(shí)現對大量測試數據的保存和管理，在實(shí)際應用中取得了良好的效果。

　　大容量單片機測試系統中的存儲結構

　　在大多數自動(dòng)測試系統中，測試數據的邏輯結構一般都會(huì )遵循線(xiàn)性邏輯關(guān)系，即數據元素在時(shí)間或者空間順序上只分先后次序而不存在上下層次。因此在設計存儲結構時(shí)往往采用順序存儲結構，其優(yōu)點(diǎn)在于處理線(xiàn)性數據結構時(shí)速度快，而且結構簡(jiǎn)單。

　　但是上述情況在前文所述的大容量測試系統中并不是普遍適用的。大容量測試系統雖然同樣是線(xiàn)性邏輯結構，但其測試數據變化多樣，構成數據元素的內部結構也非常復雜，而且系統又要執行數據保存和數據查詢(xún)等多項指令操作，如果再應用順序存儲結構就會(huì )面臨許多問(wèn)題。

　　首先，測試系統經(jīng)常會(huì )面臨一些較為特殊的測試對象。其測試信息較為復雜且數據長(cháng)度不固定，顯然不利于采用順序存儲結構。假設系統按照時(shí)間或空間上的邏輯順序來(lái)進(jìn)行順序存儲，那么對存儲空間的分配將成為難題。若分配空間過(guò)大，則影響存儲效率；反之，又會(huì )出現數據溢出的情況。類(lèi)似地，假設系統能夠安排好數據的存放空間，在進(jìn)行數據查詢(xún)、數據刪除等操作時(shí)系統也會(huì )顯得力不從心。

　　其次，采用順序存儲結構不能很好地處理抽象數據類(lèi)型。系統在進(jìn)行數據保存、數據查詢(xún)以及數據刪除等操作時(shí)都要考慮數據元素的長(cháng)度和內容，不能做到靈活、有效。當系統需要修改或升級時(shí)，對數據元素內部結構的修改又會(huì )影響到系統的整體操作，從而降低了系統的可靠性和高效性，同時(shí)使得系統進(jìn)行維護和升級的難度大大增加。

　　綜上所述，順序存儲結構并不能解決大容量測試系統在存儲和管理數據時(shí)面臨的所有問(wèn)題，因此在實(shí)際操作中必須考慮非順序存儲結構的應用。長(cháng)久以來(lái)，在單片機系統中較少采用諸如鏈式存儲結構等非順序存儲結構，原因在于鏈式存儲結構必須有一套專(zhuān)門(mén)的存儲管理系統來(lái)支持。在通用計算機中，這一功能由操作系統或高級語(yǔ)言的編譯系統來(lái)實(shí)現，但在普通單片機系統中沒(méi)有成熟的應用案例，因而使程序設計的難度較高。下面介紹一種應用于大容量單片機系統的存儲管理系統，能夠支持大容量單片機測試系統的應用鏈式存儲方式。

　　大容量測試系統的存儲管理系統

　　對于采用鏈式存儲結構的大容量測試系統，鏈表中各結點(diǎn)的物理地址是不固定的。為避免在保存數據時(shí)可能出現的存儲空間沖突問(wèn)題，需要建立專(zhuān)門(mén)的存儲管理系統來(lái)管理存儲空間的開(kāi)辟和釋放。其中，數據引導表是存儲管理系統的基礎，負責記錄存儲空間中各個(gè)數據元素的存儲信息。利用數據引導表，同時(shí)配合實(shí)現開(kāi)辟空間、釋放空間等操作的函數，測試系統能夠實(shí)現對大量存儲空間的有效管理。

　　數據引導表

　　建立數據引導表，就是建立一種鏈表中各結點(diǎn)與其相應物理地址之間的聯(lián)系，規范每個(gè)結點(diǎn)對存儲空間的使用。在測試系統中，引導表只是占用存儲空間內劃分的一段固定區域，其記錄對象是一段已被分配占用的連續地址空間的首地址和末地址，標志著(zhù)保存在存儲空間上的某個(gè)結點(diǎn)所分配占用的空間大小，稱(chēng)為一個(gè)“記錄”。各個(gè)記錄在引導表中的物理地址是連續的，并且按照每個(gè)記錄首地址的大小依次排列。數據引導表工作原理如圖１所示。

　　圖１　數據引導表工作原理示意圖

　　在初始狀態(tài)時(shí)，內存引導表只有２個(gè)記錄，表明整個(gè)存儲空間的首地址和末地址，此時(shí)整個(gè)頁(yè)面空間沒(méi)有存儲任何測試數據。一旦有新的結點(diǎn)需要在這一空間上保存，ＣＰＵ將為該結點(diǎn)開(kāi)辟一段連續的存儲區間供其使用，并將該段空間的首地址和末地址作為一個(gè)記錄寫(xiě)入內存引導表中。同樣的當系統需要在某一頁(yè)面上刪除一個(gè)鏈表中的結點(diǎn)時(shí)，ＣＰＵ將其對應的記錄在內存引導表中刪除，以此來(lái)釋放此段地址空間。值得說(shuō)明的是，對于在引導表中被釋放的存儲空間部分，其保存的內容并沒(méi)有真正刪除；在新的數據覆蓋該地址之前，ＣＰＵ還是可以通過(guò)直接訪(fǎng)問(wèn)該地址來(lái)讀取其中的存儲數據。

　　管理存儲空間的函數

　　一般來(lái)講，在通用計算機中往往利用Ｃ語(yǔ)言中的標準庫函數ｍａｌｌｏｃ（）、ｒｅａｌｌｏｃ（）和ｆｒｅｅ（）來(lái)實(shí)現對存儲空間的分配和管理，但這種方式對于一般的大容量測試系統并不合適。