uClinux下SDRAM數(shù)據(jù)交換區(qū)的生成和使用

引言

數(shù)據(jù)交換區(qū)就是指程序執(zhí)行中使用到的各種數(shù)據(jù)所存放的內(nèi)存空間。本文提出了在uclinux操作統(tǒng)下為嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器開辟數(shù)據(jù)交換區(qū)的思想和解決方案。嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器項(xiàng)目的開發(fā)目的是構(gòu)建一個(gè)以client/server模式工作的工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其前端是一個(gè)嵌入式服務(wù)器，它安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可以與三菱plc組成的控制系統(tǒng)接口，對(duì)該系統(tǒng)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中數(shù)據(jù)交換區(qū)部分起到承上啟下的樞紐作用，向上負(fù)責(zé)對(duì)客戶端交互現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，向下負(fù)責(zé)與接口緩沖區(qū)交互設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)以freescale公司的32位控制芯片cold fire 5307為cpu，使用兩片現(xiàn)代公司的hy57v641620 的4m 16bit的sdram拼成4m 32bit的sdram，使系統(tǒng)具有16m bytes的ram空間。

uclinux操作系統(tǒng)

系統(tǒng)選取uclinux 操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，為有兩片4m 16bit的sdram的嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器開辟數(shù)據(jù)交換區(qū)。

coldfire 5307微處理器上可以運(yùn)行很多操作系統(tǒng)，但是uclinux是最合適、性價(jià)比最高的操作系統(tǒng)。目前商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，比如vxworks和nuclesus等價(jià)格比較昂貴，而且需要附加的c編譯器和相關(guān)的調(diào)試工具。而像ucos等免費(fèi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，又沒(méi)有很好的文件系統(tǒng)和tcp/ip協(xié)議的支持，就嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的應(yīng)用特點(diǎn)而言，uclinux是最適合的操作系統(tǒng)。我們?cè)趗clinux下面實(shí)現(xiàn)了jffs（journaling flash file system）文件系統(tǒng)，每次子模塊傳送回來(lái)的數(shù)據(jù)都可以像日志一樣記錄下來(lái)，非常方便。另外還在主系統(tǒng)中的nand flash接口中實(shí)現(xiàn)了fat32文件系統(tǒng)，與pc機(jī)上windows下面的fat32文件系統(tǒng)兼容，因此非常方便數(shù)據(jù)的備份和更新。使用uclinux的同時(shí)，主控制系統(tǒng)的所有軟件工作都在linux（red hat）系統(tǒng)下使用gcc交叉編譯器來(lái)編譯，使用gdb交叉調(diào)試器來(lái)調(diào)試工作。

uclinux內(nèi)核采用模塊化的設(shè)計(jì)，很多功能塊可以獨(dú)立地加載或卸載，在設(shè)計(jì)內(nèi)核時(shí)可以把這些內(nèi)核模塊作為可選項(xiàng)，在編譯系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)指定。一種較通用的做法是對(duì)uclinux內(nèi)核重新編譯，在編譯時(shí)仔細(xì)選擇嵌入式系統(tǒng)所需要的功能支持模塊，同時(shí)刪除不需要的功能模塊。通過(guò)對(duì)內(nèi)核的重新配置，可以使系統(tǒng)運(yùn)行所需要的內(nèi)核顯著減小，從而縮減需要的控制器ram和rom資源。

uclinux同標(biāo)準(zhǔn)linux的最大區(qū)別就在于內(nèi)存管理，對(duì)sdram數(shù)據(jù)交換區(qū)的管理就屬于內(nèi)存管理范疇。標(biāo)準(zhǔn)linux使用虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)，對(duì)于uclinux來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)針對(duì)沒(méi)有mmu(memory management unit) 的處理器。但uclinux仍然采用存儲(chǔ)器的分頁(yè)管理，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)把實(shí)際存儲(chǔ)器進(jìn)行分頁(yè)。在加載應(yīng)用程序時(shí)程序分頁(yè)加載。但是由于沒(méi)有mmu管理，所以實(shí)際上uclinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略（real memory management）。uclinux系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，它對(duì)地址的訪問(wèn)不需要經(jīng)過(guò)mmu，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。 uclinux對(duì)內(nèi)存的管理從編譯內(nèi)核開始，從而系統(tǒng)將在啟動(dòng)的初始化階段對(duì)內(nèi)存進(jìn)行分頁(yè)，并且標(biāo)記已使用的和未使用的內(nèi)存。系統(tǒng)將在運(yùn)行應(yīng)用時(shí)使用這些分頁(yè)內(nèi)存。另外由于采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略，用戶程序同內(nèi)核以及其他用戶程序在一個(gè)地址空間，程序開發(fā)時(shí)要保證不侵犯其他程序的地址空間，以使得程序不至于破壞系統(tǒng)的正常工作，或?qū)е缕渌绦虻倪\(yùn)行異常。

數(shù)據(jù)交換區(qū)硬件架構(gòu)

coldfire系列微處理器是freescale公司延續(xù)其m68k系列微處理器推出的新一代32位高性能嵌入式微處理器。coldfire系列微處理器繼承了m68k系列優(yōu)秀的指令集設(shè)計(jì)和cisc架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，融入了risc架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在速度和架構(gòu)之間得到了很好的平衡。coldfire 5307微處理器運(yùn)行在外部總線時(shí)鐘45mhz、內(nèi)部總線時(shí)鐘90 mhz時(shí)，可以達(dá)到75mips。

與flash存儲(chǔ)器相比較，sdram不具有掉電保存數(shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于flash存儲(chǔ)器，且具有讀/寫的屬性。因此，sdram在系統(tǒng)中主要用于程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)交換區(qū)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，cpu首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動(dòng)代碼，在完成系統(tǒng)初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入sdram中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，同時(shí)，系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都放在sdram中。sdram具有單位空間存儲(chǔ)容量大和價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)中。sdram的存儲(chǔ)單元可以理解為一個(gè)電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時(shí)刷新（充電）。

嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)交換區(qū)根據(jù)數(shù)據(jù)交換區(qū)配置文件生成，向上負(fù)責(zé)對(duì)客戶端交互現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，向下負(fù)責(zé)與接口緩沖區(qū)交互設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。每片sdram是由4m 16bit的內(nèi)部bank組成，這個(gè)bank的選擇由sdram的外部引腳ba0和ba1來(lái)完成，在我們的系統(tǒng)中ba0和ba1都連接在coldfire5307的高端地址線上；其他信號(hào)和coldfire5307都一一對(duì)應(yīng)。udqm和ldqm是sdram的高低字節(jié)片選信號(hào)，因?yàn)槊科瑂dram都是16位架構(gòu)，所以我們將兩片sdram拼在一起變成32位時(shí)，其他信號(hào)線對(duì)兩片sdram來(lái)說(shuō)都是共用的，唯有數(shù)據(jù)線和這兩個(gè)信號(hào)不是共用的。這兩個(gè)信號(hào)分別接coldfire5307的cas0、1和cas2、3。sdram與mcf5307的連接關(guān)系如圖1所示。

數(shù)據(jù)交換區(qū)軟件實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器依據(jù)數(shù)據(jù)交換區(qū)配置文件生成設(shè)備數(shù)據(jù)交換區(qū)。數(shù)據(jù)交換區(qū)格式如表1所示。

數(shù)據(jù)交換區(qū)生成及使用流程圖如圖2所示。

# include< linux/ boot mem.h>
void*alloc_bootmem(unsigned long size);
void*alloc_bootmem_low(unsigned long size);
void*alloc_bootmem_low-pages(unsignedlong size);

分配內(nèi)存空間所使用的函數(shù)調(diào)用如下：

# include
void*malloc(size_t size);
void*calloc(size_t nmemb,size_t size);

函數(shù)malloc和calloc都是用于分配動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間的函數(shù)。
函數(shù)malloc的參數(shù)size表示申請(qǐng)分配的內(nèi)存空間的大小，以字節(jié)記。
函數(shù)calloc的參數(shù)nmemb表示分配的內(nèi)存空間占的數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)目。參數(shù)size表示每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的大小，以字節(jié)記。也就是說(shuō)，calloc函數(shù)分配大小為nmemb*size大小的內(nèi)存空間。

calloc函數(shù)與malloc函數(shù)最大的區(qū)別是calloc函數(shù)將初始化所分配的內(nèi)存空間，置所有位置為0。調(diào)用成功時(shí)，malloc函數(shù)與calloc函數(shù)的返回值都為被分配的內(nèi)存空間的指針；調(diào)用失敗時(shí)，返回值為null。動(dòng)態(tài)內(nèi)存被釋放在c中，指針是處理許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。沒(méi)有指針，也許根本不能使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存的諸多特性。在編寫程序的時(shí)候，它允許程序員建立復(fù)雜的內(nèi)存系統(tǒng)，提高了處理未知內(nèi)容或者類型數(shù)據(jù)的靈活性。在c中還有一點(diǎn)對(duì)字符串處理和數(shù)據(jù)的輸入輸出很重要。對(duì)指針的徹底了解有助于寫出更好、更高效的代碼。

如果使用一種算法不夠，鏈表可以解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)從未知大小的數(shù)據(jù)塊中讀入數(shù)據(jù)時(shí)，用戶不得不把數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中。這是因?yàn)樘幚碜x入數(shù)據(jù)的函數(shù)，必須把數(shù)據(jù)讀到一塊一定大小的內(nèi)存中。在讀入以后，必須找到一種接合分離數(shù)據(jù)的辦法。 一般使用fgets( )把數(shù)據(jù)讀到n個(gè)字節(jié)大小的內(nèi)存中。緩沖區(qū)是n+1個(gè)字節(jié)大，但是請(qǐng)注意必須使用1個(gè)字節(jié)放結(jié)束標(biāo)記。然后使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的鏈表保存數(shù)據(jù)。這個(gè)鏈表有一個(gè)特殊項(xiàng)：一個(gè)名為iscontinuing的整型變量。如果這個(gè)變量有值，它表示當(dāng)前結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)不是字符串最后的部分，最后的部分將包含在以后的結(jié)構(gòu)中。這個(gè)變量再把數(shù)據(jù)從內(nèi)存中調(diào)出來(lái)，重新組裝的時(shí)候使用。
還有一種更明智的保存數(shù)據(jù)的方法。逐步處理數(shù)據(jù)直到到達(dá)數(shù)據(jù)末尾。首先要修改的是結(jié)構(gòu)的定義。在結(jié)構(gòu)中包含字符串。在結(jié)構(gòu)中定義一個(gè)指針，指向動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存區(qū)域。這樣做的好處是，字符串可以很長(zhǎng)。
現(xiàn)在產(chǎn)生輸出的代碼更簡(jiǎn)單了。它做的所有的事情就是計(jì)算和顯示。不再需要合并字符串，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)被合并了。

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)交換區(qū)的生成和使用對(duì)嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器項(xiàng)目尤為重要，它是web服務(wù)器正常運(yùn)行的先決條件，起到承上啟下的樞紐作用。向上負(fù)責(zé)對(duì)客戶端交互現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，向下負(fù)責(zé)與接口緩沖區(qū)交互設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。日前，該部分設(shè)計(jì)工作已經(jīng)完成，并在試運(yùn)行期間情況良好，達(dá)到預(yù)期效果。