CN100538641C - 操作计算装置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种操作计算装置的方法，计算装置包括用于存储数据且具有多个块的随机存取存储器，所述块中的至少一个可以独立于其他块被更新，其特征在于，所述方法包括使用操作系统代码的线程以启动存储在所述随机存取存储器中的数据的碎片整理，所述操作系统代码的线程被设置为在没有其他线程准备运行时运行，所述数据的碎片整理仅在所述数据在碎片整理之后与碎片整理之前相比可以被存储在缩减数量的块中时才发生。

Description

操作计算装置的方法
本发明涉及一种操作计算装置的方法，具体地，涉及一种用于管理计算装置中的存储器的方法。
在此使用的术语计算装置被扩大解释为覆盖任何形式的电气装置，并且包括：数据记录装置，诸如任何形状因子(form factor)的数字静止照相机和电影摄影机；任何类型或形状的计算机，包括手提计算机和个人计算机；以及任何形状因子的通信装置，包括移动电话，智能电话，在单个装置内结合通信、图像记录和/或重放、和计算功能的通信装置，以及其它形式的无线和有线信息装置。
大多数计算装置被编程为在操作系统的控制下进行操作。操作系统通过将一系列代码形式的指令提供给装置的中央处理单元来控制计算装置。这些指令可以认为是由操作系统预定的执行的一系列准自治基本单位。执行的这些基本单位被分别称为线程，并且将在计算装置中执行的进程将总是包括一个或多个线程。
典型的操作系统将预定许多不同的线程，以控制将由计算装置执行的多种任务。这些线程中的一种通常称作“空”线程或“空闲”线程的线程，与所有其它线程的区别在于，当并且仅当不存在其它适合于执行(准备运行)的线程时，即当系统本质上是空闲的时候，其才运行。对于特定系统，空闲线程是将由操作系统在计算装置的引导时间排序的第一线程。如以下更详细解释的，操作系统可以认为由多个构件组成，并且这些构件中的一些构件比其它构件对计算装置的硬件资源享有更多特权访问。这些特权构件中的一个或多个形成通常所说的操作系统内核，并且在特定操作系统中，空线程对内核初始化的第一阶段负责。在这些初始阶段之后，空线程将通常仅在没有其它线程准备运行时才被操作系统再次预定。
使用本发明，已经实现了这一点，因为空线程在没有其它线程准备运行时被预定，所以对计算装置的物理存储器资源(诸如计算装置内或与其结合使用的RAM或磁盘存储器)进行碎片整理的任务可以在空线程的运行期间被执行，具有特定优点。
根据本发明的第一方面，提供了一种操作计算装置的方法，所述计算装置包括用于存储数据且具有多个块的随机存取存储器，所述块中的至少一个可以独立于其他块被更新，其特征在于，所述方法包括使用操作系统代码的线程以启动存储在所述随机存取存储器中的数据的碎片整理，所述操作系统代码的线程被设置为在没有其他线程准备运行时运行，所述数据的碎片整理仅在所述数据在碎片整理之后与碎片整理之前相比可以被存储在缩减数量的块中时才发生。
下面将参照特定实施例，仅通过进一步举例来描述本发明。
可以使用许多不同形式的计算装置，因此一些装置与其它装置相比具有受限的物理资源，例如较少的存储器资源或较慢的CPU。一种具有受限物理资源的计算装置是智能电话形式的无线信息装置。这是因为，智能电话本质上是用于在移动电话上运行的计算装置，其物理尺寸相对较小，因此仅具有非常受限的空间用于容纳运行各种装置功能所需的物理资源。用于给装置供电的电源尺寸同样很小，但是尽管如此，仍然要求其使装置能够操作或在相对延长的时间段内保持在待机模式。典型的智能电话包括CPU、只读存储器(ROM)、用于存储用户数据的闪存、随机存取存储器(RAM)、以及输入/输出装置。
然而，这种形式的计算装置，在物理结构和其操作方法两方面，相对于PC或工作站型装置(其具有可供配置的相当多的物理资源)而言均是严格的。例如，智能电话CPU以低速运行。此外，系统ROM需要包含整个操作系统，相比而言，PC中仅有引导装入程序和BIOS嵌入ROM中，而操作系统和应用程序从硬盘上装载。此外，在典型智能电话上的系统RAM被限制在约8MB或16MB。此外，没有磁盘驱动器，所以不能在装置操作期间使用磁盘支持(disc-bacded)虚拟存储器。因此，操作系统软件必须在编码尺寸方面非常紧凑，在操作上非常有效，并且使从受限的电源提取的功率消耗最小。
大多数计算装置一次只能执行一个程序指令，但是因为它们高速操作，所以它们看起来似乎同时运行许多程序和提供许多应用程序。因此，操作系统给每个选择的程序一个在装置上运行的“次序”，但是要求所选择的程序在另一程序被提供有在装置上运行的次序时等待。这些程序的每个被操作系统视作一种任务，计算装置的特定资源被识别和监控用于该任务。
操作系统管理存储在装置中的存储器内的每个程序(例如表格处理软件、文字处理软件、或网络浏览器程序)作为单独的任务，并且通常使装置的用户能够查看和控制任务列表上的项目。如果程序启动输入/输出(I/O)请求，例如读取文件或发送消息至远程接收器，则创建线程。如果程序启动输入/输出(I/O)请求，例如读取文件或发送消息至远程接收器，则通常创建线程。创建线程的时间可以在一个操作系统与另一个操作系统之间变化。例如，一些操作系统(例如可从英格兰伦敦Symbian有限公司获得的SymbianOSTM操作系统)使用异步I/O。这意味着允许作出I/O请求的线程在处理请求时连续的被执行，并且将在请求完成时被通知。通常，当由程序执行的处理可以被分成单元时，创建新线程，从而有利于这些单元至少在概念上以并行的方式执行。例如，应用程序可以使用一个线程用于用户接口(UI)处理，以及使用另一个线程用于由用户启动的长期运行操作。以这种方式，即使在长期操作继续时UI仍然可以响应。
在一个具体的I/O操作完成时，被保持作为线程一部分的数据可以允许例如程序在正确位置重新进入。同时，程序的其它并行使用被维持在其它线程上。用于计算装置的最新操作系统提供对多任务和多线程的支持。它们还允许程序处理内的多线程，从而节约创建用于每个线程的新处理的系统开销。
可以通过将线程信息存储在特定数据区中并且将该数据区的地址放入寄存器(例如计算装置的栈指针)中，来维持线程信息。操作系统在线程被中断时保存寄存器的内容，并在线程再次被控制时恢复该内容。
可以认为计算装置操作系统及其应用程序被分成各种构件，在这些构件之间具有不同的边界。这些构件中的某些通常被称作内核，并且这些构件用于管理系统随机存取存储器(RAM)和装置的其它硬件资源。内核提供和控制存储在计算装置中的所有其它软件资源可以访问这些资源的方式，并且为操作系统的所有其它部分提供特定服务。因此，内核构件可以与同用户命令交互的操作系统的外部构件或外壳构件形成对照。
典型地，计算装置操作系统将创建在内核内使用的多个不同线程。例如，Symbian OSTM操作系统的实施例在计算装置的引导时间创建五个内核线程(尽管可能通过扩展创建更多)，并且这些内核线程执行各种任务。这些线程中的一个是“空”线程，并且在SymbianOSTM中，其可以是在引导时间在计算装置上运行的第一线程。在该操作系统中，空线程对操作系统内核初始化的第一阶段负责。
空线程的第一主任务是进行从单线程执行模式到多线程执行模式的转变，其中，单线程执行模式在处理器复位之后立即存在，多线程执行模式在内核完全启动时存在。此后，启动计算装置存储器管理单元(MMU)(使得动态存储器分配成为可能)并且创建内核块(使得可以创建新内核对象和线程栈)。最后，创建管理程序线程并使其运行。然而，由于空线程在所有内核线程中具有最低优先级，因此初始化序列的重新安排在创建管理程序线程之后立即发生，并且初始化随后在管理程序线程中继续。
在创建了管理程序线程之后，空线程将仅当没有其它线程准备运行时才重新获得对计算装置的控制。通常，空线程将简单地不断循环，执行“等待中断”型指令，当该指令被接收时，其将中央处理单元(CPU)置入缩减功率模式或空闲模式，从而停止指令执行，直到断言硬件中断。空线程也可用于在规定时间间隔内没有用户活动被启动的情况下，关断整个计算装置。这种功率节约在智能电话中特别有益，智能电话需要由相对较小的电池电源供电来操作延长的时间。
如上所述，在PC装置中，大部分装置操作系统和系统程序被存储在硬盘上。然而，在PC计算技术中，随着文件的循环使用而出现保持在硬盘上的文件的碎片，这是公知的。本质上，开始作为磁盘上单个文件实体的文件逐渐变换成多个文件片断形式的文件，该文件片断不以邻接的方式存储在磁盘上；即，文件的碎片已经作为循环使用的结果出现。当这种成碎片的文件被再次加载用于使用时，操作系统必须首先搜索每个成碎片的片断，并在文件最后准备使用之前将它们集中在一起。该过程是费时的，降低了系统性能，并消耗硬盘上的存储空间。因此，在PC中很少容许存储的文件的碎片，在PC中诸如处理器速度或硬盘存储容量的硬件资源相对受限。
在PC装置中，可以通过周期性地使用专用磁盘碎片整理程序(其可以存储在硬盘本身上)来缓解该问题。当程序运行时，再次实现的碎片整理提供硬盘上的文件的邻接存储。因此，同总的文件内容被保持作为多个不邻接的文件碎片的情况相比，操作系统可以更快地找到和读取总的文件内容。尤其在文件服务器上或繁重访问的工作站上，可以实现多达100％的性能增加。
然而，相对于在PC装置中可用的总存储器资源而言，在智能电话中可用于操作装置的总存储器资源是严格的。特别地，因为在操作驱动器中消耗的功率可能严格限制装置由相对较小的内部电池电源供电而操作的时间，使得装置实际上可能被认为是无用的，所以不存在硬盘驱动器。因此，在智能电话中，因为存储内容在功率损耗的情况下或者当装置断电时不丢失，因此系统程序通常被保持在非易失性固态存储器(诸如闪存)中。逐渐地，装置闪存为NAND闪存形式，这是因为操作速度和这种存储器所呈现出的较低功率消耗。此外，NAND闪存还具有较低成本的其他优点。
在装置操作期间，如上所述的具有相对受限的存储容量的装置动态RAM，可以用于两个目的。第一，动态RAM用于活动程序以及装置操作系统的临时存储器，当需要在使用NAND闪存的情况下从闪存复制时，其不支持执行原地操作。相对于用于该目的的在PC上可用的硬盘存储器而言，这是严格的。
第二，动态RAM也用作装置动态存储器。因此本质上，较低存储容量RAM必须不仅用作在PC上可用的较大容量动态存储器，而且还用作用于补充PC中的动态存储器的硬盘型虚拟存储器的替代物。
因此，可以理解，在智能电话中，对于该相对缺乏的资源存在很高需求。操作系统通常被配置为使得仅所需的那么多的RAM用于每个目的，但为了使对该较缺乏的存储器资源的使用最大化，操作系统不预分配一定量的RAM用于一个目的以及一定量的RAM用于其它目的。
在智能电话中广泛使用的RAM类型是移动SDRAM。此类SDRAM被分成多个块(通常三个)，并且可以选择性地使得不能够自更新。例如，8MB移动SDRAM装置将典型地允许2MB、4MB、或8MB被自更新。存储器的更新消耗功率，并且取决于被更新的存储器容量。因此更新8MB的存储器比更新2MB的存储器消耗相当多的功率。
文件可以存储在SDRAM中作为页帧，并且典型的单个页帧的大小可以是4KB。然而，SDRAM中的页帧的碎片以与保持在PC的硬盘上的文件类似的方式出现，并且因此用于运行应用程序的一个或多个页帧可能被保持在SDRAM的一个块中，并且运行应用程序其它页帧可能被保持在SDRAM的其它块中的一个或多个中。因此，将具有8MB容量并且被分成三块的SDRAM作为实例，如果实际使用的总的RAM少于2MB，但是因为使用的RAM由于碎片的页帧引起的分散而遍布在所有三个块上，因此RAM的所有8MB需要更新。相反，如果使用中的页帧被碎片整理，使得它们是邻接的，则仅RAM的2MB需要更新。因为在更新期间消耗的功率量取决于被更新的存储容量，因此可以看出，对保持在RAM中的页帧进行碎片整理使得所有使用的RAM位于物理地址范围的第一2MB中是有利的。然后，当系统空闲时，不需要更新剩余RAM并且节约了功率，因此延长了智能电话的待机时间。
使用本发明，RAM的碎片整理被设置为当装置由空线程控制时发生，从而对系统性能没有影响。
因为得知没有其它线程即将运行，所以空线程被预定为使得装置采用缩减功率模式。在该缩减功率模式下，空线程通常使装置CPU处于待机状态，并且因为仅需要空线程在装置上运行而使这成为可能。然而，使用本发明，当空线程被预定时，CPU最初不处于其待机状态。相反，如果需要，则对系统RAM进行碎片整理，并且因为装置物理资源(包括CPU)可以专用于该任务，因此这可以以非常高效的方式来实现。因此，RAM的碎片整理可以较快地实现，并且对系统性能没有影响。如果碎片整理在不同于准备运行的空线程的线程之前完成，则装置的CPU可以置于待机模式。如果碎片整理未完成，并且断言了硬件中断，则CPU不置于待机模式，而是回复到处理准备运行的新线程。
实际的碎片整理步骤一旦被启动，则可以根据任何方便的过程来完成。例如，SDRAM存储物理帧页形式的数据，其可能保持在存储空间的所有块中。因此，在存储空间中存储在高物理地址处的数据将被移动到低物理地址处，并且将重复该过程，移动与其它数据无关的数据的每页，直到使用中的所有帧页在物理地址空间的底部形成帧页的邻接序列。
空线程可被设置为包括附加代码，其运行作为空线程的一部分，以执行碎片整理。可选地，空线程可包括启动其他独立代码序列以执行碎片整理的代码。此外，页帧的碎片整理可以设置为在运行空线程期间选择性地发生，使得碎片整理过程将仅当页面可以保持在存储器内相比在碎片整理之前保持帧页所需的块的数量的缩减数量的块中时才发生。例如，在上述8MB存储器装置情况下，如果当空线程被排序运行时使用的总的系统RAM是2.5MB，并且其所有都在存储空间的第一4MB中，则将不会启动RAM的碎片整理，因为使用的RAM不能被限制到第一2MB块，因此总的存储空间的第一4MB将继续自更新，即使已经执行了碎片整理过程。
本发明已经特别参照RAM存储器的碎片整理进行了描述。然而，该方法也可用于其它形式存储装置的碎片整理，包括磁盘驱动器。同样，指出了本发明的方法可以用于任何类型的读/写存储器，包括动态RAM、以及NOR和NAND闪存。
尽管已经参照特定实施例描述了本发明，但是应该理解，凡在由附加权利要求所限定的本发明的范围之内，可以进行修改。

Claims (12)

1.一种操作计算装置的方法，所述计算装置包括用于存储数据且具有多个块的随机存取存储器，所述块中的至少一个可以独立于其他块被更新，其特征在于，所述方法包括使用操作系统代码的线程以启动存储在所述随机存取存储器中的数据的碎片整理，所述操作系统代码的线程被设置为在没有其他线程准备运行时运行，所述数据的碎片整理仅在所述数据在碎片整理之后与碎片整理之前相比可以被存储在缩减数量的块中时才发生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述随机存取存储器是用于存储作为数据帧页的数据的SDRAM，通过将所述数据帧页排列为随机存取存储器中的邻接序列的帧页，对所述数据进行碎片整理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线程被设置为包含用于执行所述数据的碎片整理的代码。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述线程被设置为包含用于执行所述数据的碎片整理的代码。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线程被设置为包含用于使另一代码开始操作并执行所述数据的碎片整理的代码。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述线程被设置为包含用于使另一代码开始操作并执行所述数据的碎片整理的代码。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，当没有发生所述数据的碎片整理时，所述线程通过使所述计算装置的中央处理单元处于待机模式以使所述计算装置采用缩减功率模式。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述线程包括在所述计算装置的引导时间首先运行的线程。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述线程包括在所述计算装置的引导时间首先运行的线程。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述计算装置被选择为包括无线信息装置。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述计算装置被选择为包括无线信息装置。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述无线信息装置被选择为包括移动电话。
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