淺析嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
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)
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。
