編輯導(dǎo)讀:工程結(jié)果：遙控|嵌入式系統(tǒng)開發(fā)面臨的問題與集成開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用|解決優(yōu)先級(jí)倒置問題的RTOS優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略|嵌入式系統(tǒng)與普適計(jì)算|淺談Real-Time Linux|ARM發(fā)布用于嵌入式系統(tǒng)的新產(chǎn)品|基于2.6.19內(nèi)核的小型Linux系統(tǒng)制作與移植|如何監(jiān)控和保護(hù)Linux下進(jìn)程安全|嵌入式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究|嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的演化|
正文：
嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)由嵌入式硬件和固化在硬件平臺(tái)中的嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件組成,。傳統(tǒng)的小規(guī)模嵌入式存儲(chǔ)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)配上嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)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)來擴(kuò)展存儲(chǔ)系統(tǒng)容量,，頁式虛擬存儲(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,，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到實(shí)頁的映射,。頁式存儲(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(shí)際計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的頁式虛擬存儲(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面替換算法,，然而在嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)中這些都可以簡(jiǎn)化乃至省去。
2.2 單片機(jī)嵌入式存儲(chǔ)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)用于嵌入式存儲(chǔ)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,，以64k為一頁，將256k虛擬地址分為4頁映射到單片機(jī)的64k空間,。嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)中地址變換機(jī)構(gòu)可被簡(jiǎn)化：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(gè)跳轉(zhuǎn)表實(shí)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(gè)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(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)
編輯導(dǎo)讀:工程結(jié)果：遙控|嵌入式系統(tǒng)開發(fā)面臨的問題與集成開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用|解決優(yōu)先級(jí)倒置問題的RTOS優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略|嵌入式系統(tǒng)與普適計(jì)算|淺談Real-Time Linux|ARM發(fā)布用于嵌入式系統(tǒng)的新產(chǎn)品|基于2.6.19內(nèi)核的小型Linux系統(tǒng)制作與移植|如何監(jiān)控和保護(hù)Linux下進(jìn)程安全|嵌入式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究|嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的演化|
正文：
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函數(shù),，其他各段用來存放嵌入式存儲(chǔ)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,，它支持上述頁面分組技術(shù),。
2.3 單片機(jī)嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)擴(kuò)展
嵌入式存儲(chǔ)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)用戶來說操作系統(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,。
編輯導(dǎo)讀:工程結(jié)果：遙控|嵌入式系統(tǒng)開發(fā)面臨的問題與集成開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用|解決優(yōu)先級(jí)倒置問題的RTOS優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略|嵌入式系統(tǒng)與普適計(jì)算|淺談Real-Time Linux|ARM發(fā)布用于嵌入式系統(tǒng)的新產(chǎn)品|基于2.6.19內(nèi)核的小型Linux系統(tǒng)制作與移植|如何監(jiān)控和保護(hù)Linux下進(jìn)程安全|嵌入式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究|嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的演化|
正文：
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（見圖4），很容易通過P2端口線來指定,。由單片機(jī)外部程序區(qū)訪問時(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)了嵌入式存儲(chǔ)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)嵌入式存儲(chǔ)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(shí)需要額外的軟件切換周期，頻繁的頁面切換會(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)分配在同一頁中。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)切換是由硬件實(shí)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(dú)立，對(duì)用戶來說整個(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
嵌入式存儲(chǔ)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)行嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)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。