淺析嵌入式存儲系統(tǒng)設(shè)計方法

嵌入式存儲系統(tǒng)由嵌入式硬件和固化在硬件平臺中的嵌入式存儲系統(tǒng)軟件組成。傳統(tǒng)的小規(guī)模嵌入式存儲系統(tǒng)，軟件多采用前后臺的方法，通常應(yīng)用于實時性要求不高的簡單場合；對于復(fù)雜的應(yīng)用場合，較為普遍的做法是給系統(tǒng)配上嵌入式存儲系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)（RTOS），這樣不僅能夠使系統(tǒng)具有良好的實時性能，降低軟件編制的工作量，還可以提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，為了簡化用戶程序，系統(tǒng)通常要提供一些必要的庫函數(shù)供用戶調(diào)用。同前后臺系統(tǒng)相比，這種實時嵌入式系統(tǒng)增加了系統(tǒng)存儲空間的開銷。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)行存儲空間擴(kuò)展。本文借鑒傳統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中的虛擬存儲技術(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(tǒng)的組織

2.1 虛擬存儲系統(tǒng)

計算機(jī)系統(tǒng)中常采用虛擬存儲技術(shù)來擴(kuò)展存儲系統(tǒng)容量，頁式虛擬存儲器是常用的一種組織方法。在這種方法下，整個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)（通常是一個快速地址變換表）建立了虛擬空間到主存空間虛頁到實頁的映射。頁式存儲器組織關(guān)系如圖1。

虛擬存儲系統(tǒng)利用計算機(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。實際計算機(jī)系統(tǒng)的頁式虛擬存儲要比這復(fù)雜得多，還需考慮未命中時的外部地址變換以及頁面替換算法，然而在嵌入式存儲系統(tǒng)中這些都可以簡化乃至省去。

2.2 單片機(jī)嵌入式存儲系統(tǒng)程序存儲區(qū)擴(kuò)展

受虛擬存儲系統(tǒng)啟發(fā)，我們把上述方法作了一些修改以應(yīng)用于嵌入式存儲系統(tǒng)中。由于系統(tǒng)設(shè)計選用的外部程序存儲器容量為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。嵌入式存儲系統(tǒng)中地址變換機(jī)構(gòu)可被簡化：單片機(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，頁表查詢可用一個跳轉(zhuǎn)表實現(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。