uClinux下SDRAM數(shù)據交換區(qū)的生成和使用

引言

數(shù)據交換區(qū)就是指程序執(zhí)行中使用到的各種數(shù)據所存放的內存空間。本文提出了在uclinux操作統(tǒng)下為嵌入式工業(yè)網絡服務器開辟數(shù)據交換區(qū)的思想和解決方案。嵌入式工業(yè)網絡服務器項目的開發(fā)目的是構建一個以client/server模式工作的工業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其前端是一個嵌入式服務器，它安裝在工業(yè)現(xiàn)場，可以與三菱plc組成的控制系統(tǒng)接口，對該系統(tǒng)實施實時監(jiān)控。其中數(shù)據交換區(qū)部分起到承上啟下的樞紐作用，向上負責對客戶端交互現(xiàn)場設備數(shù)據，向下負責與接口緩沖區(qū)交互設備實時數(shù)據。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，為有兩片4m 16bit的sdram的嵌入式工業(yè)網絡服務器開辟數(shù)據交換區(qū)。

coldfire 5307微處理器上可以運行很多操作系統(tǒng)，但是uclinux是最合適、性價比最高的操作系統(tǒng)。目前商業(yè)實時操作系統(tǒng)，比如vxworks和nuclesus等價格比較昂貴，而且需要附加的c編譯器和相關的調試工具。而像ucos等免費的實時操作系統(tǒng)，又沒有很好的文件系統(tǒng)和tcp/ip協(xié)議的支持，就嵌入式工業(yè)網絡服務器的應用特點而言，uclinux是最適合的操作系統(tǒng)。我們在uclinux下面實現(xiàn)了jffs（journaling flash file system）文件系統(tǒng)，每次子模塊傳送回來的數(shù)據都可以像日志一樣記錄下來，非常方便。另外還在主系統(tǒng)中的nand flash接口中實現(xiàn)了fat32文件系統(tǒng)，與pc機上windows下面的fat32文件系統(tǒng)兼容，因此非常方便數(shù)據的備份和更新。使用uclinux的同時，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交叉編譯器來編譯，使用gdb交叉調試器來調試工作。

uclinux內核采用模塊化的設計，很多功能塊可以獨立地加載或卸載，在設計內核時可以把這些內核模塊作為可選項，在編譯系統(tǒng)內核時指定。一種較通用的做法是對uclinux內核重新編譯，在編譯時仔細選擇嵌入式系統(tǒng)所需要的功能支持模塊，同時刪除不需要的功能模塊。通過對內核的重新配置，可以使系統(tǒng)運行所需要的內核顯著減小，從而縮減需要的控制器ram和rom資源。

uclinux同標準linux的最大區(qū)別就在于內存管理，對sdram數(shù)據交換區(qū)的管理就屬于內存管理范疇。標準linux使用虛擬存儲器技術，對于uclinux來說，其設計針對沒有mmu(memory management unit) 的處理器。但uclinux仍然采用存儲器的分頁管理，系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進行分頁。在加載應用程序時程序分頁加載。但是由于沒有mmu管理，所以實際上uclinux采用實存儲器管理策略（real memory management）。uclinux系統(tǒng)對于內存的訪問是直接的，它對地址的訪問不需要經過mmu，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。 uclinux對內存的管理從編譯內核開始，從而系統(tǒng)將在啟動的初始化階段對內存進行分頁，并且標記已使用的和未使用的內存。系統(tǒng)將在運行應用時使用這些分頁內存。另外由于采用實存儲器管理策略，用戶程序同內核以及其他用戶程序在一個地址空間，程序開發(fā)時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，或導致其他程序的運行異常。

數(shù)據交換區(qū)硬件架構

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)秀的指令集設計和cisc架構的優(yōu)點，融入了risc架構的優(yōu)點，在速度和架構之間得到了很好的平衡。coldfire 5307微處理器運行在外部總線時鐘45mhz、內部總線時鐘90 mhz時，可以達到75mips。

與flash存儲器相比較，sdram不具有掉電保存數(shù)據的特性，但其存取速度大大高于flash存儲器，且具有讀/寫的屬性。因此，sdram在系統(tǒng)中主要用于程序的運行空間、數(shù)據交換區(qū)及堆棧區(qū)。當系統(tǒng)啟動時，cpu首先從復位地址0x0處讀取啟動代碼，在完成系統(tǒng)初始化后，程序代碼一般應調入sdram中運行，以提高系統(tǒng)的運行速度，同時，系統(tǒng)及用戶堆棧、運行數(shù)據也都放在sdram中。sdram具有單位空間存儲容量大和價格便宜的優(yōu)點，已廣泛應用在各種嵌入式系統(tǒng)中。sdram的存儲單元可以理解為一個電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據丟失，必須定時刷新（充電）。

嵌入式工業(yè)網絡服務器項目中的數(shù)據交換區(qū)根據數(shù)據交換區(qū)配置文件生成，向上負責對客戶端交互現(xiàn)場設備數(shù)據，向下負責與接口緩沖區(qū)交互設備實時數(shù)據。每片sdram是由4m 16bit的內部bank組成，這個bank的選擇由sdram的外部引腳ba0和ba1來完成，在我們的系統(tǒng)中ba0和ba1都連接在coldfire5307的高端地址線上；其他信號和coldfire5307都一一對應。udqm和ldqm是sdram的高低字節(jié)片選信號，因為每片sdram都是16位架構，所以我們將兩片sdram拼在一起變成32位時，其他信號線對兩片sdram來說都是共用的，唯有數(shù)據線和這兩個信號不是共用的。這兩個信號分別接coldfire5307的cas0、1和cas2、3。sdram與mcf5307的連接關系如圖1所示。

數(shù)據交換區(qū)軟件實現(xiàn)

服務器依據數(shù)據交換區(qū)配置文件生成設備數(shù)據交換區(qū)。數(shù)據交換區(qū)格式如表1所示。

數(shù)據交換區(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);

分配內存空間所使用的函數(shù)調用如下：

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

函數(shù)malloc和calloc都是用于分配動態(tài)內存空間的函數(shù)。
函數(shù)malloc的參數(shù)size表示申請分配的內存空間的大小，以字節(jié)記。
函數(shù)calloc的參數(shù)nmemb表示分配的內存空間占的數(shù)據項數(shù)目。參數(shù)size表示每一個數(shù)據項的大小，以字節(jié)記。也就是說，calloc函數(shù)分配大小為nmemb*size大小的內存空間。

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存空間，置所有位置為0。調用成功時，malloc函數(shù)與calloc函數(shù)的返回值都為被分配的內存空間的指針；調用失敗時，返回值為null。動態(tài)內存被釋放在c中，指針是處理許多數(shù)據結構的關鍵。沒有指針，也許根本不能使用動態(tài)內存的諸多特性。在編寫程序的時候，它允許程序員建立復雜的內存系統(tǒng)，提高了處理未知內容或者類型數(shù)據的靈活性。在c中還有一點對字符串處理和數(shù)據的輸入輸出很重要。對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，鏈表可以解決這個問題。當從未知大小的數(shù)據塊中讀入數(shù)據時，用戶不得不把數(shù)據讀到內存中。這是因為處理讀入數(shù)據的函數(shù)，必須把數(shù)據讀到一塊一定大小的內存中。在讀入以后，必須找到一種接合分離數(shù)據的辦法。 一般使用fgets( )把數(shù)據讀到n個字節(jié)大小的內存中。緩沖區(qū)是n+1個字節(jié)大，但是請注意必須使用1個字節(jié)放結束標記。然后使用了一個簡單的鏈表保存數(shù)據。這個鏈表有一個特殊項：一個名為iscontinuing的整型變量。如果這個變量有值，它表示當前結構中的數(shù)據不是字符串最后的部分，最后的部分將包含在以后的結構中。這個變量再把數(shù)據從內存中調出來，重新組裝的時候使用。
還有一種更明智的保存數(shù)據的方法。逐步處理數(shù)據直到到達數(shù)據末尾。首先要修改的是結構的定義。在結構中包含字符串。在結構中定義一個指針，指向動態(tài)申請的內存區(qū)域。這樣做的好處是，字符串可以很長。
現(xiàn)在產生輸出的代碼更簡單了。它做的所有的事情就是計算和顯示。不再需要合并字符串，因為它們已經被合并了。

結束語

數(shù)據交換區(qū)的生成和使用對嵌入式工業(yè)網絡服務器項目尤為重要，它是web服務器正常運行的先決條件，起到承上啟下的樞紐作用。向上負責對客戶端交互現(xiàn)場設備數(shù)據，向下負責與接口緩沖區(qū)交互設備實時數(shù)據。日前，該部分設計工作已經完成，并在試運行期間情況良好，達到預期效果。