1、嵌入式系統(tǒng)中的內(nèi)存壓縮技術(shù)     摘要：介紹內(nèi)存壓縮技術(shù)和一個(gè)基于硬件的內(nèi)存壓縮系統(tǒng)模型，探討內(nèi)存壓縮技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用；重點(diǎn)介紹內(nèi)存壓縮系統(tǒng)的硬件要求及操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存壓縮機(jī)制的支持；簡(jiǎn)單介紹內(nèi)存壓縮中常用的算法Lempel-Ziv，并就內(nèi)存壓縮技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用問題作一些探討。     關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 內(nèi)存壓縮 壓縮內(nèi)存控制器 Lempel-Ziv算法1 內(nèi)存壓縮技術(shù)介紹為節(jié)省存儲(chǔ)空間或傳輸帶寬，人們已經(jīng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛地使用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。在磁介質(zhì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，人們使用基于硬件或軟件的各種

2、壓縮技術(shù)。當(dāng)壓縮技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都很流行時(shí)，內(nèi)存壓縮技術(shù)卻由于其復(fù)雜性而一直未得到廣泛使用。近年來，由于在并行壓縮一解壓算法以及在硅密度及速度方面取得的進(jìn)展，使得內(nèi)存壓縮技術(shù)變得可行。內(nèi)存壓縮技術(shù)的主要思想是將數(shù)據(jù)按照一定的算法壓縮后存入壓縮內(nèi)存中，系統(tǒng)從壓縮內(nèi)存中找到壓縮過的數(shù)據(jù)，將其解壓后即可以供系統(tǒng)使用。這樣既可以增加實(shí)際可用的內(nèi)存空間，又可以減少頁面置換所帶來的開銷，從而以較小的成本提高系統(tǒng)的整體性能。blank' class='infotextkey'>管理內(nèi)存大小變化以及壓縮比率變化的功能。 target='_blank' class=&

3、#39;infotextkey'>管理的實(shí)際內(nèi)存大小和頁框數(shù)目是基于內(nèi)存的壓縮比率來確定的。這里的實(shí)現(xiàn)內(nèi)存是指操作系統(tǒng)可的內(nèi)存大小，它與物理內(nèi)存的關(guān)系如下：假設(shè)PM是物理內(nèi)存，RM（t）是系統(tǒng)在t時(shí)刻的實(shí)際內(nèi)存，而CR（t）是壓縮比率，在給定時(shí)刻t可支持的最大實(shí)際內(nèi)存為RM（t）=CR1（t）×PM。然而，由于應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)壓縮率是不依賴于OS而動(dòng)態(tài)變化的，未壓縮的數(shù)據(jù)可能會(huì)耗盡物理內(nèi)存，因此當(dāng)物理內(nèi)存接近耗盡時(shí)，操作系統(tǒng)必須采取行動(dòng)來解決這個(gè)問題。2 內(nèi)存壓縮系統(tǒng)的硬件模型目前由于內(nèi)存壓縮的思想越來越引起人們的注意市場(chǎng)上也出現(xiàn)了一些基于軟件的內(nèi)存壓縮器。這些內(nèi)存壓縮器

4、主要是通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，但由于訪問壓縮數(shù)據(jù)帶來的延遲，它在系統(tǒng)性能方面改進(jìn)并不明顯，有些甚至降低了系統(tǒng)性能。本節(jié)介紹一種基于硬件的內(nèi)存壓縮系統(tǒng)模型。圖1是一個(gè)典型的內(nèi)存壓縮系統(tǒng)的硬件模型，包括了壓縮內(nèi)存、L3高速緩沖、壓縮內(nèi)存控制器等硬件部分。其中壓縮內(nèi)存（133MHz SDRAM）包含了壓縮數(shù)據(jù)。L3高速緩沖是一個(gè)共享的、32MB、4路組相聯(lián)、可回寫的高速緩沖，每行大小為1KB，由兩倍數(shù)據(jù)率（DDR）SDRAM制定。L3高速緩沖包含了未壓縮的緩沖行，由于大部分的訪問都可以在L3高速緩沖中命中，因此它隱藏了訪問壓縮主存引起的延遲。L3高速緩沖對(duì)于存儲(chǔ)分級(jí)體系中的上層而言就是主存，它的操作

5、對(duì)于其它硬件，包括處理器和I/O來說都是透明的。壓縮內(nèi)存控制器是整個(gè)內(nèi)存壓縮系統(tǒng)的控制中心，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的壓縮/解壓，監(jiān)控物理內(nèi)存的使用情況以及實(shí)際地址到物理地址的尋址過程。數(shù)據(jù)壓縮過程是這樣的：壓縮內(nèi)存控制將1KB的高速緩沖行壓縮后寫入壓縮內(nèi)存中，然后將它們從壓縮內(nèi)存中讀出后解壓。其壓縮算法就是Lempel-Ziv算法，我們會(huì)在下一部分介紹這個(gè)算法。壓縮機(jī)制將壓縮的數(shù)據(jù)塊以不同的長(zhǎng)度格式存放到內(nèi)存中。壓縮內(nèi)存的存儲(chǔ)單元是一個(gè)256字節(jié)的區(qū)域。按照壓縮比率不同，一個(gè)1KB的內(nèi)存塊（正好是L3每行的大小）可以占據(jù)04個(gè)壓縮區(qū)域。壓縮內(nèi)存控制器必須根據(jù)長(zhǎng)度格式的不同將系統(tǒng)總線上的實(shí)際地址翻譯成物理內(nèi)

6、存的中的物理地址。實(shí)際地址是出現(xiàn)在處理器外部總線上常規(guī)地址。篁 址用來錄十壓縮內(nèi)存的256字節(jié)區(qū)域。實(shí)際地址空間存在于L1/L2/L3高速緩沖中，用于立即訪問。而其余的內(nèi)存內(nèi)容部分以壓縮形式存在于物理內(nèi)存中。內(nèi)存控制器通過查詢壓縮翻譯表（CTT）執(zhí)行從實(shí)際地址到物理地址的翻譯，這個(gè)表被保留在物理內(nèi)存的某個(gè)位置。圖2是CTT表的格式及內(nèi)存控制器的尋址模式。每個(gè)1KB內(nèi)存塊的實(shí)際地址映射到CTT的一項(xiàng)，而CTT每項(xiàng)共16字節(jié)，包括四個(gè)物理區(qū)域地址，每個(gè)地址指向物理內(nèi)存聽一個(gè)256字節(jié)區(qū)域。對(duì)于少于120位的塊，如一個(gè)全為零的塊，則使用一種特殊的CTT格式，稱為通用行格式。在這種格式中，壓縮數(shù)據(jù)全部

7、存放在CTT項(xiàng)中，代替了四個(gè)地址指針。因此，一個(gè)1KB的通用塊僅占用物理內(nèi)存中的16字節(jié)，其壓縮比率達(dá)到64：1。壓縮內(nèi)存控制器中有一系列的寄存器用于監(jiān)控物理內(nèi)存使用。Sectors Used Register(SUR)向操作系統(tǒng)報(bào)告壓縮內(nèi)存的使用情況。The Sectors Used Threshold Registers,SUTHR和SUTLR，用于設(shè)置內(nèi)存耗盡情況的中斷入口點(diǎn)。SUTLR寄存器是PCI中斷電路INTA的入口，而SUTHR寄存器是NMI中斷的入口。當(dāng)SUR超過了SUTLR的值，內(nèi)存控制器產(chǎn)生一個(gè)中斷，則操作系統(tǒng)采取措施來阻止內(nèi)存消耗。在實(shí)際地址到物理地址的轉(zhuǎn)換中，一個(gè)有用的

8、方法是快速頁操作。它允許控制器僅修改CTT項(xiàng)的四個(gè)指針，從而將4KB的頁面內(nèi)容換出或清空。快速頁操作通過將與4KB頁面相關(guān)的CTT項(xiàng)全部修改通用行格式（即全為零），從而將這4KB頁面的內(nèi)容全部清空。同樣，一對(duì)頁面可以通過交換它們相關(guān)的CTT項(xiàng)的區(qū)域指針來交換頁面內(nèi)容。由于沒有大量的數(shù)據(jù)移動(dòng)發(fā)生，快速頁面操作速度相當(dāng)快。壓縮內(nèi)存控制器的壓縮/解壓功能是基于LempelZiv算法來進(jìn)行的，因此下一節(jié)將簡(jiǎn)單介紹一下該算法的思想。3 內(nèi)存壓縮算法Lempel-Ziv絕大多數(shù)的壓縮算法，包括用得特別流行的Lempel-Ziv壓縮算法家庭，都是基于對(duì)原子記錄（Token）字符串的完全重復(fù)檢測(cè)。這個(gè)算法雖然

9、不是最好的算法，但是，Lempel-Ziv算法強(qiáng)調(diào)的是算法的簡(jiǎn)單與取得高壓縮率的速率，因此它還是在內(nèi)存壓縮中得到了廣泛的應(yīng)用。Lemple-Ziv算法（簡(jiǎn)稱LZ）是編碼時(shí)將一個(gè)位串分成詞組，然后將數(shù)據(jù)流描述成一系列的對(duì)。每個(gè)對(duì)組成一個(gè)新的詞組，它包含一個(gè)數(shù)字（前一個(gè)詞組的標(biāo)識(shí)）和一個(gè)位（被附加到前一個(gè)詞組上）。這種編碼方式很龐大，可是一旦應(yīng)用到適合的字符串，它就是相當(dāng)有效率的編碼方式。下面舉例說明這種算法是如何編碼的。+表示連接（010+1=0101），U=0010001101是未被壓縮的字符串。C是壓縮后的字符串。P（x）表示詞組數(shù)x。先看一下U=0010001101發(fā)現(xiàn)，它可以被寫為U=0

10、+010001101，因此得到P（1）=P(0)+0。現(xiàn)在繼續(xù)將其寫為U=0+02+0001101，可得到P(2)=P（1）+1。現(xiàn)在我們已經(jīng)將P（2）描述為上一詞組和一個(gè)新的位的組合。下一步，U=0+01+00+01101，并得到P（3）=P（1）+0。現(xiàn)在我們注意到，有U=0+01+00+011+01，而P（4）=011=P(2)+1，最后得到P（5）=P(1)+1。運(yùn)算的步驟如表1所列。Lempel-Ziv字符串的解碼是很簡(jiǎn)單的，就是抓住其中的對(duì)，對(duì)照表1進(jìn)行重構(gòu)。表1 編碼過程步  驟值公  式U0-P(0)001000110110P(1)=P(0)+00+0100

11、01101201P(2)=P(1)+10+01+00+01101300P(3)=P(1)+00+01+00+011014011P(4)=P(2)+10+01+00+011+01501P(5)=P(1)+10+01+00+011+01表2 如何創(chuàng)建編碼字符串公  式P(1)=P(0)+0P(2)=P(1)+1P(3)=P(1)+0P(4)=P(2)+1P(5)=P(1)+1對(duì)00+0=00001+1=01101+0=01010=+1=10101+1=011C000+011+010+101+011=0000110101010114 操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存壓縮的支持由于內(nèi)存壓縮是一個(gè)比較新的概念，

12、一般的情況作系統(tǒng)都沒有這樣的機(jī)制來區(qū)分實(shí)際地址和物理地址，也不能處理“物理內(nèi)存耗盡”的情況。不過，只要對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核做一些小的改動(dòng)或者在操作系統(tǒng)之上增加一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，即可達(dá)到目的。（1）監(jiān)控物理內(nèi)存使用情況（2）回收內(nèi)存以及清空空閑頁面內(nèi)容以減少使用if(nr_free_pages<freepages.min)/*內(nèi)存太少，回收頁面*/else/*可以進(jìn)行分配*/在內(nèi)存壓縮系統(tǒng)中，通過增加一個(gè)新變量nr_rsrv_pages來完成此功能。這樣就使最小空閑頁面數(shù)量變?yōu)椋篺reepages.min'=freepages.min+nr_rsrv_pages。（3）阻塞CPU周期以減

13、少物理內(nèi)存使用率當(dāng)物理內(nèi)存使用超過監(jiān)界值mc_th_interrupt，控制器就中斷處理器，nr_rsrv_pages進(jìn)一步增加，然后CPU blocker就開始運(yùn)行。我們?cè)谳喸儥C(jī)制的基礎(chǔ)上還使用了中斷機(jī)制，因?yàn)橹袛鄼C(jī)制比輪詢機(jī)制更加快速。如果在10ms的間隔中，物理內(nèi)存使用突然上升，硬件中斷會(huì)比輪詢例程更早檢測(cè)到這一情況。為了更加安全，我們使用CPUblocker來阻塞引起物理內(nèi)存使用的進(jìn)程。CPU blocker是空閑線程，它們可以使CPU空忙。由于頁面被置換到磁盤是以機(jī)器速度運(yùn)行的，而物理內(nèi)存使用卻可以以內(nèi)存訪問速度運(yùn)行，速度從而得到增加。當(dāng)牧師內(nèi)存使用持續(xù)增加，以至換頁也無法緩解時(shí)，進(jìn)

14、程需要被阻塞。我們就通過啟動(dòng)CPUblocker來阻塞CPU周期直到換頁機(jī)制能有效地降低物理內(nèi)存使用。CPUblocker不會(huì)阻塞中斷，而且每40ms它就會(huì)讓出CPU以免其它進(jìn)程被餓死。5 內(nèi)存壓縮技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)是一種特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它是一個(gè)更大的系統(tǒng)或設(shè)備的一部分。通常，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)是駐留在單處理機(jī)底板上的，其應(yīng)用程序存儲(chǔ)在ROM中。事實(shí)上，所有具有數(shù)字接口的設(shè)備監(jiān)視器、微波爐、VCRs、汽車等，都使用了嵌入式系統(tǒng)。一些嵌入式系統(tǒng)包含了操作系統(tǒng)，稱為嵌入式操作系統(tǒng)。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相

15、比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性中，內(nèi)存仍然是珍貴的資源，因此研究?jī)?nèi)存壓縮技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用具有一定的價(jià)值。內(nèi)存壓縮的思想在一些嵌入式操作系統(tǒng)中，實(shí)際上已經(jīng)得到了體現(xiàn)。例如在VxWorks中，當(dāng)操作系統(tǒng)下載到目標(biāo)機(jī)上時(shí)，其中一種方式是將引導(dǎo)程序和VxWorks映像都存放在ROM中。為了將其解壓后再從ROM拷貝到RAM。這種基于軟件的壓縮方式，可以節(jié)省ROM空間，但其引導(dǎo)過程相對(duì)較慢。以上的內(nèi)存壓縮技術(shù)在ROM中得到了應(yīng)用，但對(duì)于RAM來講，基于軟件內(nèi)存壓縮技術(shù)，由于其訪問壓縮數(shù)據(jù)可能造成的延遲和不確定性，會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性造成和。因此它與虛擬內(nèi)存技術(shù)一樣，在嵌入式系統(tǒng)中未得到廣泛應(yīng)用。本文所介紹的內(nèi)存壓縮系統(tǒng)是基于硬件的。在相同基準(zhǔn)下，測(cè)試結(jié)果顯示出，該系統(tǒng)的運(yùn)行速度比標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的運(yùn)行速度快1.3倍。如果要實(shí)現(xiàn)相同大小的內(nèi)存，采用內(nèi)存壓縮系統(tǒng)的硬件費(fèi)用比購買RAM的費(fèi)用要低，而且內(nèi)存越大