嵌入式操作系統(tǒng)中基于MIPS處理器的內(nèi)存管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)

郭 鋒，王宏偉，黃保壘，齊曉斌

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

1 嵌入式操作系統(tǒng)在內(nèi)存管理中的特點(diǎn)

嵌入式操作系統(tǒng)通常具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性高、資源受限等特點(diǎn)，因此，大部分嵌入式操作系統(tǒng)在內(nèi)存管理方面具有以下特征：

（1）對存儲(chǔ)器采用實(shí)地址平板方式進(jìn)行管理，操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用都運(yùn)行在核心態(tài)。當(dāng)需要操作系統(tǒng)接管時(shí)，避免了用戶態(tài)向核心態(tài)切換帶來的開銷，確保了系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。

（2）對堆空間統(tǒng)一進(jìn)行管理，系統(tǒng)堆和用戶堆不作區(qū)分，降低了系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜度。

（3）提供頁面管理功能，支持內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit，MMU）存儲(chǔ)保護(hù)，防止用戶對關(guān)鍵內(nèi)存進(jìn)行非法訪問，保證了系統(tǒng)的安全。

2 MIPS處理器內(nèi)存管理的特點(diǎn)

2.1 MIPS的基本地址空間

無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器（Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages，MIPS）運(yùn)行在用戶態(tài)或核心態(tài)，在32位模式下，程序地址空間被劃分為4個(gè)區(qū)域。在不同模式下，程序可以訪問的地址空間是有區(qū)別的：用戶態(tài)只能訪問低2G的地址空間，核心態(tài)可以訪問所有4G的地址空間[1]，如圖1所示。根據(jù)各區(qū)域地址空間的特點(diǎn)，對空間訪問屬性進(jìn)行總結(jié)：（1）Kuseg，只有用戶態(tài)可以訪問，經(jīng)過cache，需要MMU映射。

圖1 32位模式下MIPS處理器的地址空間

（2）Kseg0，用戶態(tài)和核心態(tài)都可訪問，經(jīng)過cache，不需要MMU映射。

（3）Kseg1，用戶態(tài)和核心態(tài)都可訪問，不經(jīng)過cache，不需要MMU映射。

（4）Kseg2，用戶態(tài)和核心態(tài)都可訪問，經(jīng)過cache，需要MMU映射。

2.2 MIPS處理器的內(nèi)存管理機(jī)制

現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)都是通過MMU把程序地址轉(zhuǎn)換成存儲(chǔ)器的物理地址，轉(zhuǎn)譯后備緩沖器（Translation Lookaside Buffer，TLB）是MMU中一個(gè)重要的加速轉(zhuǎn)換部件。MIPS處理器采用雙倍存儲(chǔ)的TLB管理，每一個(gè)TLB表項(xiàng)可以容納一對相鄰的虛擬頁面對應(yīng)的兩個(gè)單獨(dú)的物理地址，TLB可管理的頁大小為4～16 KB。4 K頁大小的TLB結(jié)構(gòu)，輸入域中VPN2為虛擬頁號，ASID為地址空間標(biāo)識，PageMask用于設(shè)置頁大小，G位表示進(jìn)程共享的地址空間；輸出域中的PFN對應(yīng)兩個(gè)連續(xù)的奇偶物理頁，flag域包含3個(gè)頁屬性，分別為頁有效（V）、寫允許（D）和頁的cache屬性（C）。MIPS的TLB表項(xiàng)如圖2所示。

圖2 MIPS的TLB表項(xiàng)

3 嵌入式操作系統(tǒng)中MIPS處理器的內(nèi)存管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)

3.1 頁面設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)采用4 K頁大小。在32位地址空間模式下，若采用一級頁表方式，需要連續(xù)的4 MB內(nèi)存來存放頁表，這對內(nèi)存資源的要求比較高；若采用二級頁表的方式，最大連續(xù)空間只需要4 KB，雖然對存儲(chǔ)的要求大大降低，但是在TLB未命中需要換頁時(shí)，多了一次訪存操作，系統(tǒng)的效率降低，二級頁表也有可能引發(fā)TLB二次充填問題，增加了系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜程度[2]。

在實(shí)際使用中，很少有程序用到整個(gè)32位的尋址空間，多數(shù)程序在自己的地址空間內(nèi)部有巨大的空洞?；谶@一特性，在地址映射時(shí)，避免對空洞的映射，可以有效減少頁表帶來的內(nèi)存開銷。

綜合考慮存儲(chǔ)效率與訪問效率，本研究使用16 K頁大小、一級頁表的方式進(jìn)行頁面管理。在內(nèi)存占用率方面，考慮到kseg0和kseg1地址區(qū)域不需要進(jìn)行映射，每個(gè)頁表項(xiàng)可以映射兩個(gè)物理地址，因此，最多需要存儲(chǔ)96 K 6個(gè)頁表項(xiàng)，每個(gè)頁表項(xiàng)占用4 B空間，最多需要384 KB的地址空間用于存儲(chǔ)頁表，如果能有效避開程序中的空洞映射，存儲(chǔ)頁表所需的空間還會(huì)大大減少。16 K頁表比4 K頁表能容納更多的內(nèi)容，因此，可以減少換頁的次數(shù)，從而減少時(shí)間開銷[3]。采用這種方式，既減少了換頁時(shí)訪存次數(shù)帶來的時(shí)間開銷，又可以避免TLB二次充填問題，因此，是一種合理的設(shè)計(jì)方案。

3.2 基于MMU的內(nèi)存管理

需要MMU進(jìn)行管理的地址空間只能位于kseg2或kuseg區(qū)域，只有合法的地址空間才允許進(jìn)行頁面操作。對頁面的操作主要有以下6種情況：（1）創(chuàng)建頁映射；（2）刪除頁映射；（3）獲取頁屬性；（4）設(shè)置頁屬性；（5）使能cache屬性；（6）禁止cache屬性。除了創(chuàng)建頁映射外，其他幾種操作僅當(dāng)頁面存在時(shí)才有效。頁屬性與上文中的描述一致，對cache屬性的操作也屬于設(shè)置頁屬性的范疇。對頁面cache的設(shè)置是用戶比較關(guān)心的操作，因此，將其單獨(dú)提取出來?；贛MU的內(nèi)存管理流程如圖3所示。

圖3 基于MMU的內(nèi)存管理流程

3.3 嵌入式操作系統(tǒng)中的地址映射與虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換

在嵌入式操作系統(tǒng)中MIPS處理器的地址映射中，kseg0區(qū)域和kseg1區(qū)域直接映射到低端物理地址，kseg2和kuseg區(qū)域可以映射到任意空間。以LS2H處理器地址映射為例，kseg0空間和kseg1空間都映射到0x0地址空間，其他地址空間的映射關(guān)系如圖4所示[4]。以0地址開始的第一個(gè)頁面不做映射，可以避免用戶使用空指針帶來的問題。

圖4 一種MIPS處理器的地址映射關(guān)系

針對上述地址映射關(guān)系，在虛擬地址和實(shí)地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，不同區(qū)域區(qū)別對待，其中，kuseg區(qū)域被分為3個(gè)部分，分別為kuseg0，kuseg1和kuseg2，具體轉(zhuǎn)換方法如表1所示。

表1 虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換

4 內(nèi)存拷貝速率測試結(jié)果

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種在嵌入式操作系統(tǒng)中基于MIPS處理器的存管理方法，在LS2H開發(fā)平臺完成了測試。經(jīng)測試驗(yàn)證，內(nèi)存管理部分的功能基本正確。對各區(qū)域的內(nèi)存拷貝速率進(jìn)行了測量，如圖5所示，使用MMU的區(qū)域存儲(chǔ)訪問速度和非映射cache區(qū)域的訪問速率基本相當(dāng)，表明MMU的功能正確且性能符合系統(tǒng)需求。kseg1區(qū)域的訪問速度遠(yuǎn)小于其他區(qū)域，是因?yàn)樵搮^(qū)域空間的訪問是不經(jīng)過cache的。

圖5 內(nèi)存拷貝速率測試結(jié)果