單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理

　　引言

　　在自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域里，單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)憑借其成熟的應(yīng)用體系，簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的性價(jià)比得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著新的測(cè)試對(duì)象不斷出現(xiàn)，以及測(cè)試手段的不斷發(fā)展，測(cè)試系統(tǒng)的功能越來(lái)越完善，各種應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的要求也日益提高?，F(xiàn)在的大多數(shù)測(cè)試系統(tǒng)不僅要完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)控任務(wù)，同時(shí)還要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和保存。以往在一般的單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中，信息的存儲(chǔ)量并不大，系統(tǒng)只須用較少的資源就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。但是隨著存儲(chǔ)芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，適用于單片機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)芯片已經(jīng)可以在掉電保護(hù)的情況下保存上百ＫＢ甚至幾ＭＢ的數(shù)據(jù)；同樣，目前的單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)也面臨動(dòng)輒處理并保存上千條乃至近萬(wàn)條測(cè)試數(shù)據(jù)的問(wèn)題。這對(duì)一般的缺少操作系統(tǒng)支持的單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作，因而目前的測(cè)試系統(tǒng)往往只能針對(duì)具體數(shù)值對(duì)象進(jìn)行處理，對(duì)大量采集數(shù)據(jù)采取簡(jiǎn)單的順序存儲(chǔ)方式。顯然，這種方法缺少靈活性，不利于單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)處理大量測(cè)試數(shù)據(jù)，限制了測(cè)試系統(tǒng)在這方面的發(fā)展。

　　本文主要針對(duì)處理測(cè)試數(shù)據(jù)量較大的一類測(cè)試系統(tǒng)，討論測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理問(wèn)題。這類測(cè)試系統(tǒng)往往由抗干擾能力較強(qiáng)的單片機(jī)和大容量、掉電保護(hù)的存儲(chǔ)芯片組成，同時(shí)配有高精度數(shù)字式傳感器；造價(jià)便宜，性能穩(wěn)定，適合工作在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，保存和處理大量測(cè)試數(shù)據(jù)，有的甚至能夠與上位機(jī)組成測(cè)控網(wǎng)絡(luò)完成更為復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。本文將介紹一種應(yīng)用于單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)方式，能夠在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大量測(cè)試數(shù)據(jù)的保存和管理，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

　　大容量單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　在大多數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)一般都會(huì)遵循線性邏輯關(guān)系，即數(shù)據(jù)元素在時(shí)間或者空間順序上只分先后次序而不存在上下層次。因此在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)往往采用順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于處理線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)速度快，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

　　但是上述情況在前文所述的大容量測(cè)試系統(tǒng)中并不是普遍適用的。大容量測(cè)試系統(tǒng)雖然同樣是線性邏輯結(jié)構(gòu)，但其測(cè)試數(shù)據(jù)變化多樣，構(gòu)成數(shù)據(jù)元素的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，而且系統(tǒng)又要執(zhí)行數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)查詢等多項(xiàng)指令操作，如果再應(yīng)用順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)就會(huì)面臨許多問(wèn)題。

　　首先，測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)面臨一些較為特殊的測(cè)試對(duì)象。其測(cè)試信息較為復(fù)雜且數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不固定，顯然不利于采用順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。假設(shè)系統(tǒng)按照時(shí)間或空間上的邏輯順序來(lái)進(jìn)行順序存儲(chǔ)，那么對(duì)存儲(chǔ)空間的分配將成為難題。若分配空間過(guò)大，則影響存儲(chǔ)效率；反之，又會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出的情況。類似地，假設(shè)系統(tǒng)能夠安排好數(shù)據(jù)的存放空間，在進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)刪除等操作時(shí)系統(tǒng)也會(huì)顯得力不從心。

　　其次，采用順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不能很好地處理抽象數(shù)據(jù)類型。系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)查詢以及數(shù)據(jù)刪除等操作時(shí)都要考慮數(shù)據(jù)元素的長(zhǎng)度和內(nèi)容，不能做到靈活、有效。當(dāng)系統(tǒng)需要修改或升級(jí)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)元素內(nèi)部結(jié)構(gòu)的修改又會(huì)影響到系統(tǒng)的整體操作，從而降低了系統(tǒng)的可靠性和高效性，同時(shí)使得系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)的難度大大增加。

　　綜上所述，順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)并不能解決大容量測(cè)試系統(tǒng)在存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)時(shí)面臨的所有問(wèn)題，因此在實(shí)際操作中必須考慮非順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。長(zhǎng)久以來(lái)，在單片機(jī)系統(tǒng)中較少采用諸如鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)等非順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，原因在于鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)必須有一套專門的存儲(chǔ)管理系統(tǒng)來(lái)支持。在通用計(jì)算機(jī)中，這一功能由操作系統(tǒng)或高級(jí)語(yǔ)言的編譯系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在普通單片機(jī)系統(tǒng)中沒(méi)有成熟的應(yīng)用案例，因而使程序設(shè)計(jì)的難度較高。下面介紹一種應(yīng)用于大容量單片機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，能夠支持大容量單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)方式。

　　大容量測(cè)試系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理系統(tǒng)

　　對(duì)于采用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)的大容量測(cè)試系統(tǒng)，鏈表中各結(jié)點(diǎn)的物理地址是不固定的。為避免在保存數(shù)據(jù)時(shí)可能出現(xiàn)的存儲(chǔ)空間沖突問(wèn)題，需要建立專門的存儲(chǔ)管理系統(tǒng)來(lái)管理存儲(chǔ)空間的開(kāi)辟和釋放。其中，數(shù)據(jù)引導(dǎo)表是存儲(chǔ)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)記錄存儲(chǔ)空間中各個(gè)數(shù)據(jù)元素的存儲(chǔ)信息。利用數(shù)據(jù)引導(dǎo)表，同時(shí)配合實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟空間、釋放空間等操作的函數(shù)，測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大量存儲(chǔ)空間的有效管理。

　　數(shù)據(jù)引導(dǎo)表

　　建立數(shù)據(jù)引導(dǎo)表，就是建立一種鏈表中各結(jié)點(diǎn)與其相應(yīng)物理地址之間的聯(lián)系，規(guī)范每個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)存儲(chǔ)空間的使用。在測(cè)試系統(tǒng)中，引導(dǎo)表只是占用存儲(chǔ)空間內(nèi)劃分的一段固定區(qū)域，其記錄對(duì)象是一段已被分配占用的連續(xù)地址空間的首地址和末地址，標(biāo)志著保存在存儲(chǔ)空間上的某個(gè)結(jié)點(diǎn)所分配占用的空間大小，稱為一個(gè)“記錄”。各個(gè)記錄在引導(dǎo)表中的物理地址是連續(xù)的，并且按照每個(gè)記錄首地址的大小依次排列。數(shù)據(jù)引導(dǎo)表工作原理如圖１所示。

　　圖１　數(shù)據(jù)引導(dǎo)表工作原理示意圖

　　在初始狀態(tài)時(shí)，內(nèi)存引導(dǎo)表只有２個(gè)記錄，表明整個(gè)存儲(chǔ)空間的首地址和末地址，此時(shí)整個(gè)頁(yè)面空間沒(méi)有存儲(chǔ)任何測(cè)試數(shù)據(jù)。一旦有新的結(jié)點(diǎn)需要在這一空間上保存，ＣＰＵ將為該結(jié)點(diǎn)開(kāi)辟一段連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)間供其使用，并將該段空間的首地址和末地址作為一個(gè)記錄寫入內(nèi)存引導(dǎo)表中。同樣的當(dāng)系統(tǒng)需要在某一頁(yè)面上刪除一個(gè)鏈表中的結(jié)點(diǎn)時(shí)，ＣＰＵ將其對(duì)應(yīng)的記錄在內(nèi)存引導(dǎo)表中刪除，以此來(lái)釋放此段地址空間。值得說(shuō)明的是，對(duì)于在引導(dǎo)表中被釋放的存儲(chǔ)空間部分，其保存的內(nèi)容并沒(méi)有真正刪除；在新的數(shù)據(jù)覆蓋該地址之前，ＣＰＵ還是可以通過(guò)直接訪問(wèn)該地址來(lái)讀取其中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　管理存儲(chǔ)空間的函數(shù)

　　一般來(lái)講，在通用計(jì)算機(jī)中往往利用Ｃ語(yǔ)言中的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)ｍａｌｌｏｃ（）、ｒｅａｌｌｏｃ（）和ｆｒｅｅ（）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)空間的分配和管理，但這種方式對(duì)于一般的大容量測(cè)試系統(tǒng)并不合適。