上一节讲述了在没有MMU的CPU(如80251、MIPS M控制器系列、ARM cortex m系列)上实现虚拟内存管理的集成硬件设计方法。新设计的内存管理管理单元要实现虚拟内存管理还须要操作系统、代码分块(Bank)的支持。详见SoC嵌入式软件架构设计之二:没有MMU的CPU实现虚拟内存管理的设计方法。这里要阐述Bank设计的一些原则。

Bank设计是为了实现不同一时候刻执行的Bank(代码块)执行在同一块内存上,所以在执行之前操作系统须要将已存在内存的代码/数据进行缓存处理,并载入将要执行的Bank到该内存上。为了实现这个目的,须要明白下面要点:

1.为了提高效率。我们觉得代码是不会自改动的,即代码是仅仅读的,则在Bank切换的时候能够直接将已经存在内存的Bank代码丢弃。

我们仅仅须要将当前已经存在内存的Bank代码的Bank号入栈就可以。新载入的代码能够直接覆盖该块内存。

不同的Bank有不同的虚拟地址,为什么能够放到相同的物理内存?事实上是新设计的内存管理单元的电路决定的。參考前一节的文章(SoC嵌入式软件架构设计之二:没有MMU的CPU实现虚拟内存管理的设计方法)介绍,关键是同一个Bank组的不同虚拟地址信号相应的物理输出信号是一样的。

2.程序调用后返回到一个Bank的某一行时相同须要载入该Bank代码,这时操作系统会将之前的Bank号出栈,并依据Bank号将相应的代码载入到该块内存。从1和2来看,调用Bank代码和返回一个Bank设计到Bank号的入栈和出栈,假设设计的Bank代码中的函数的虚拟执行地址带有明白的Bank号信息,那函数的调用和返回就是一个入栈和出栈过程。这样操作系统能够降低出入栈的工作,代码执行也更顺畅。

3.Bank代码中的变量数据处理:

1)全局变量。

假设全局变量定义在公共区域。那Bank代码切换过程中不需对其进行处理。

假设全局变量定义在Bank内存区域,则Bank切换时须要对这部分全局变量进行缓存处理。即在Bank号入栈之后,将Bank中的数据存到堆中。在Bank返回时除了从外存储设备载入相应的代码时,还要将其相应的数据从堆中恢复到Bank内存。为了加快数据的恢复。往往默认一个Bank数据空间的最大值。这样就不须要记录每一个Bank的数据空间的大小。

2)静态变量。跟全局变量一样。

3)常量段。其是仅仅读,跟代码一块处理。

4)局部变量。局部变量是在栈中分配空间的,所以不须要进行缓存。

5)buffer。假如该Buffer仅仅是某个Bank调用,而该Bank除了代码还有剩余空间大于buffer大小,那将buffer设置在代码段之后,并定义一个指针局部变量,程序中直接指向该buffer的首地址。

假设我们将Bank内的全局变量所有转为局部变量,那操作系统就不须要对数据进行缓存管理,就不须要堆空间。可是局部变量相应的栈空间就加大了。一个Bank可能有多个函数。而多个函数是可能会用到相同的全局变量的。但这样的情况须要的全局变量往往不大,能够考虑都转为局部变量。

假设不须要进行数据缓存。那系统管理将会很easy。

4.中断处理不能进行Bank切换。Bank切换须要进行读写外存储设备,会造成非常大的延时,所以在中断里面不应该产生Bank切换。

5.操作系统、驱动、应用各层次频繁调用的代码应设置为常驻代码,假设发生切换会损失效率。

假设频繁调用的代码非常固定,如操作系统的调度管理等代码能够固化到ROM中,以降低成本。

6.Bank内存分块大小要适中。在保持切换性能的基础上选择较小的内存块。

Bank块设置过小,就会导致Bank切换频繁,损失效率,Bank设置过大会造成内存浪费。

7.Bank内存的起始地址应该对齐扇区(512字节)。这样读外存储设备可以达到最好的性能。

请关注SoC嵌入式软件架构设计(控制器SoC固件架构)系列博文:

SoC嵌入式软件架构设计之中的一个:系统内存需求评估

SoC嵌入式软件架构设计之二:没有MMU的CPU实现虚拟内存管理的设计方法

SoC嵌入式软件架构设计之三:代码分块(Bank)设计原则

SoC嵌入式软件架构设计之四:内存空间规划分配

SoC嵌入式软件架构设计之五:可运行程序的重构

嵌入式:节省内存的软件设计技巧

05-11 19:38