嵌入式軟件虛擬內(nèi)存管理平臺的實現(xiàn)研究

王曉航 許亞星 李興智

虛擬內(nèi)存管理平臺在操作系統(tǒng)功能實現(xiàn)過程中具有極為重要的價值，由于嵌入式設(shè)備與應(yīng)用具有的作用特性，在實際應(yīng)用過程中必須具備一種與其性能需求相對應(yīng)的虛擬內(nèi)存管理機(jī)制，源的有限性及嵌入式應(yīng)用實施性和可移植性的特點(diǎn)，必須具有一種能滿足嵌入式設(shè)備與應(yīng)用的虛擬內(nèi)存管理機(jī)制，因此要從設(shè)計與思想兩個角度開展，以便于可實現(xiàn)。

一、引言

嵌入式軟件環(huán)境下需要加強(qiáng)對操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存管理，目前被廣泛應(yīng)用的操作系統(tǒng)內(nèi)存管理極為原始，大多數(shù)嵌入式軟件系統(tǒng)都沒有集成對應(yīng)的存儲設(shè)備，伴隨著嵌入式內(nèi)存管理技術(shù)逐步走向成熟，嵌入式軟件技術(shù)被廣泛應(yīng)用多種技術(shù)領(lǐng)域，在應(yīng)用過程中逐步加入內(nèi)存管理技術(shù)，不僅整體運(yùn)行環(huán)境能得到優(yōu)化，操作系統(tǒng)的性能也逐步得到提升。在嵌入式操作系統(tǒng)中加入虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，能很好提升操作系統(tǒng)的管理效能和運(yùn)行可靠性。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，剖析操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存機(jī)制，找到一種能滿足嵌入式環(huán)境下開展虛擬內(nèi)存管理的實施方法。虛擬內(nèi)存管理平臺與計算機(jī)操作系統(tǒng)相互脫離，并且是獨(dú)立的管理平臺，保障功能的可實現(xiàn)。

二、設(shè)計宗旨

虛擬內(nèi)存機(jī)制在嵌入式環(huán)境中對操作系統(tǒng)的運(yùn)行有著極為重要的支持作用，能夠在運(yùn)行過程中保持較大的運(yùn)行空間對系統(tǒng)的運(yùn)行保持支持，可以有效對操作系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)程以有效的支持，保護(hù)操作系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)程，保持內(nèi)存映射和共享虛擬內(nèi)存。嵌入式軟件體系在運(yùn)行過程中缺乏必要的存儲設(shè)備，并且操作系統(tǒng)的內(nèi)涵與體積都較小，能夠使內(nèi)存空間長期保持，是否連帶著硬件存儲設(shè)備就顯得不再重要，系統(tǒng)性能和運(yùn)行效率不會有太大的影響。同時，嵌入式軟件系統(tǒng)在運(yùn)行過程中引入虛擬內(nèi)存管理的請求很大程度上會造成操作系統(tǒng)延時，會影響操作系統(tǒng)的運(yùn)行效率，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)：造成問題的主要原因：頁面因調(diào)度造成系統(tǒng)反應(yīng)延時，系統(tǒng)響應(yīng)的確定性降低；操作系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)程被頻繁調(diào)用，影響了其他進(jìn)程的調(diào)用，其他進(jìn)程的反應(yīng)時間被延長。綜合上述造成問題的兩種原因，一般來說嵌入式系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存管理都不提供對請求分頁機(jī)制的支持。因此在運(yùn)用嵌入式軟件系統(tǒng)過程要具備三點(diǎn)功能：一是內(nèi)存能被有效映射；二是對嵌入式軟件系統(tǒng)產(chǎn)生的進(jìn)程有效保護(hù)；三是對虛擬內(nèi)存資源實現(xiàn)高效共享。虛擬內(nèi)存管理平臺的實現(xiàn)還依賴于存儲設(shè)備的支持，不同種類處理器的虛擬內(nèi)存的實現(xiàn)方式有著不同，為使虛擬內(nèi)存管理平臺的功能得到全面實現(xiàn)，要在設(shè)計過程中屏蔽不同處理器的差異，要在上層組織層面實現(xiàn)上設(shè)置統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口，操作規(guī)范也要實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)有效的交互共享。

（一）內(nèi)存映射

在嵌入式環(huán)境中，操作系統(tǒng)的內(nèi)存映射是虛擬空間到物理空間形成完善的過程，內(nèi)存映射的存在是虛擬內(nèi)存管理平臺構(gòu)建的基礎(chǔ)，虛擬內(nèi)存機(jī)制諸多功能的實現(xiàn)都需要內(nèi)存映射的支持，內(nèi)存映射的實現(xiàn)也和操作系統(tǒng)的內(nèi)置存儲設(shè)備有關(guān)。從功能實現(xiàn)角度來看，內(nèi)存映射實現(xiàn)的過程就是虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換的過程，虛擬地址與物理地址也要一一對應(yīng)，內(nèi)存映射的最終獲得也要與虛擬地址相對應(yīng)。由于計算機(jī)操作系統(tǒng)的存儲地址以頁變換為主，內(nèi)存映射產(chǎn)生的最小的變換單位也是頁，虛擬空間與物理空間開始的地址也以頁的方式完成，形成的映射關(guān)系也是映射關(guān)系。

（二）頁訪問屬性

在嵌入式軟件環(huán)境中，操作系統(tǒng)的存儲設(shè)備提供了多種類的訪問屬性組合。每一種頁的訪問屬性組合要實現(xiàn)的功能與訪問目標(biāo)都有著差異。為了保持系統(tǒng)頁屬性組合的合理性，要對每種頁的屬性組合合理規(guī)劃，是否可寫、是否可讀、是否存在、是否達(dá)到功能目標(biāo)等。如果頁的屬性組合可Cache，在可Cache的情況下進(jìn)行操作要區(qū)分頁的屬性組合是否具有全局屬性，能否覆蓋到全局代碼和程序，是否是透寫、是否是回寫等。在實踐過程中，根據(jù)頁的屬性訪問組合也可以有效完成一些系統(tǒng)設(shè)置，可以快速啟動內(nèi)存保護(hù)功能，實現(xiàn)對閃存的保護(hù)等。同時，頁的屬性組合也能有效提升操作系統(tǒng)的安全性、可靠性，與內(nèi)存映射具有相同的作用，能夠根據(jù)虛擬地址快速查找物理地址，根據(jù)地址轉(zhuǎn)換表的類目設(shè)置確定詳細(xì)的無理地址，幫助系統(tǒng)進(jìn)程快速寫入。

（三）進(jìn)程保護(hù)和共享虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存上下文與任務(wù)上下文在結(jié)構(gòu)和性能上有著本質(zhì)的差異，二者在實現(xiàn)和功能目標(biāo)上都有著不同，在實際執(zhí)行過程中，為了對操作系統(tǒng)各程序的運(yùn)行進(jìn)程實現(xiàn)高效管理，需要對各個程序的進(jìn)程實現(xiàn)統(tǒng)籌，因為每個程序會存儲在大小適中的虛擬空間中，對于虛擬內(nèi)存的有效管理是虛擬內(nèi)存上下文要做好的重要任務(wù)。讓虛擬內(nèi)存管理更加便捷，對虛擬內(nèi)存空間要合理劃分，要劃分為全局虛擬內(nèi)存存儲區(qū)域和私有內(nèi)存區(qū)域，對于一些代碼、訪問對象和信號量要進(jìn)行全局的虛擬內(nèi)存管理，系統(tǒng)的運(yùn)行程序也要置放在全局虛擬內(nèi)存管理體系中，既要合理區(qū)分虛擬內(nèi)存管理對象，也要將不同對象存儲在合適的虛擬內(nèi)存區(qū)域，保障虛擬內(nèi)存資源的有效共享。

三、虛擬內(nèi)存管理功能的實現(xiàn)

（一）層次結(jié)構(gòu)

虛擬內(nèi)存管理平臺應(yīng)具有一定的層次結(jié)構(gòu)，要考慮到操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)置不同的功能層，要考慮到運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)置處理器無關(guān)層和處理器有關(guān)層，通過兩個功能層的實現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理，處理器無關(guān)層需要單獨(dú)設(shè)置，與處理器無關(guān)層互相區(qū)分開。處理器有關(guān)層和處理器無關(guān)層之間要設(shè)置接口函數(shù)列表、屬性掩碼轉(zhuǎn)換表用以數(shù)據(jù)交互。處理器有關(guān)層要有ARM、PPC、X86。處理器有關(guān)層和處理器無關(guān)層之間的接口函數(shù)列表、屬性掩碼轉(zhuǎn)換表用以兩個結(jié)構(gòu)層之間的通信，接口函數(shù)列表完成MMU基本功能的函數(shù)集合，由相關(guān)層填寫并傳遞給無關(guān)層。屬性轉(zhuǎn)換表將無關(guān)層屬性轉(zhuǎn)換成相關(guān)層屬性完成轉(zhuǎn)換頁的屬性設(shè)置。相關(guān)層與無關(guān)層的掩碼值轉(zhuǎn)換由掩碼轉(zhuǎn)換表完成。

（二）屬性掩碼轉(zhuǎn)換表的功能實現(xiàn)

在虛擬內(nèi)存管理過程中，無關(guān)層與上層在對一些程序進(jìn)程進(jìn)行處理的時候，要有頁碼屬性和掩碼組合的支持，頁屬性只有經(jīng)過掩碼轉(zhuǎn)換表的處理才能轉(zhuǎn)換為可供處理器識讀和判別的頁屬性和掩碼。頁屬性掩碼轉(zhuǎn)換表需要在頁屬性的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建，也需要掩碼映射表的配合，處理器相關(guān)層需要定義頁屬性和掩碼轉(zhuǎn)換表，頁屬性結(jié)構(gòu)和掩碼轉(zhuǎn)換表的表項結(jié)構(gòu)要符合處理器相關(guān)層的結(jié)構(gòu)。

（三）虛擬內(nèi)存上下文的實現(xiàn)

通常情況下，嵌入式處理器會通過多級地址完成，輔助處理器轉(zhuǎn)換就需要地址轉(zhuǎn)換表配合，先通過系統(tǒng)寄存器獲得第一級地址，根據(jù)第一級地址和虛擬地址快速查詢其他幾級地址，進(jìn)而快速獲得下幾級地址的物理地址。通過多級的地址轉(zhuǎn)換，虛擬空間轉(zhuǎn)換表對應(yīng)所有虛擬地址的虛擬頁，地址轉(zhuǎn)換表中涵蓋的所有類目就包括所有虛擬頁總和。因此，在程序運(yùn)行進(jìn)程的交互切換中，程序進(jìn)程具有的虛擬內(nèi)存上下文在換出與換入過程中要保持一致性，要形成線性特點(diǎn)，通過對活躍的程序進(jìn)程虛擬內(nèi)存上下文的調(diào)用設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)接口，使程序進(jìn)程在切換過程中，其虛擬內(nèi)存上下文與任務(wù)上下文保持一直。

四、結(jié)語

本文探究了一種新型嵌入式軟件虛擬內(nèi)存管理平臺，針對嵌入式環(huán)境及軟件體系的特點(diǎn)對虛擬內(nèi)存管理問題進(jìn)行剖析，并提出了新的解決方案，通過虛擬內(nèi)存管理平臺的搭建使相關(guān)層屏蔽不同處理器的實現(xiàn)差異，借助頁屬性組合和多種標(biāo)準(zhǔn)化的函數(shù)接口實現(xiàn)高效地虛擬內(nèi)存管理，達(dá)到既定的虛擬內(nèi)存管理優(yōu)化目標(biāo)。

作者單位：中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計算技術(shù)研究所