CN113094119A - 一种嵌入式设备程序动态加载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌入式设备程序动态加载方法。大部分嵌入式设备很难加载复杂程序。本发明方法中嵌入式设备的SoC中具有内存保护单元MPU和地址映射单元MMU。MPU将内存划分为可访问区域内存MY和不可访问区域内存MN,并将MN划分成多个内存块;将需要加载的程序R划分成前段程序RF和后段程序RB;将RF加载到MY;如果需要运行RB时,动态地将部分RB加载到MN中,并将MN中的部分空间进行置换。本发明方法实现了运行时重复运行内存,在项目中使用价格更低的SoC,降低项目成本。本发明方法解决了在有限内存的嵌入式内存不够用的问题,使得开发者在内存受限的嵌入式设备中开发出功能更丰富的应用。
Description
技术领域
本发明涉及嵌入式设备技术领域,涉及一种嵌入式设备程序动态加载方法。
背景技术
近年来,随着科学技术的迅速发展,嵌入式技术逐渐普及,在通讯、医疗、工控等领域发挥着越来越重要的作用。不像通用计算机,绝大部分嵌入式设备只有有限的运行内存,很难在嵌入式设备中加载复杂程序。
在嵌入式中,应用程序存储在非易失存储器中。系统启动后,应用程序通过一段存储在ROM(Read Only Memory)中的引导程序加载到运行内存中,然后被CPU执行。常见的非易失存储器有NorFlash和NandFlash,它们的特点是容量大、价格低、访问速度慢、断电后数据能保存。常见的运行内存有静态随机访问存储器(SRAM)和同步动态随机存取器(DRAM),它们的特点是容量小、价格昂贵、访问速度快、断电后数据会丢失。所以在嵌入式设备中,运行内存的容量要远远小于非易失存储器容量。
有以下几种技术来解决运行内存过小的问题:XIP片内执行技术、PSRAM外置SRAM技术、MMU虚拟地址映射技术。
XIP(Execute In Place),即芯片内执行。使用XIP的通用方式时把程序的数据段加载到运行内存中,把程序的代码段放在NorFlash中。CPU通过XIP,直接在NorFlash中取指令、译码、执行,不必再把程序的代码段读取到运行内存中执行。但是这种技术存要求存储程序的介质必须是NorFlah,而NorFlash相对与NandFlash的容量比较小,价格高。
PSRAM,全称Pseudo static random access memory,是是为静态随机存储器。内部的内存颗粒和SDRAM相似,但外部接口和SDRAM不同。SDRAM那样复杂的控制器和刷新机制,PSRAM的接口跟SRAM的接口是一样的。PSRAM内部自带刷新机制。一般通过SPI接口作为外设和SoC互联。应为PSRAM是SPI接口的,如果SoC中没有PSRAM控制器,就不能像访问SRAM一样按内存地址访问PSRAM。
MMU虚拟地址映射技术是嵌入式设备及个人计算机、服务器通用的程序动态加载方法。MMU虚拟地址映射技术需要芯片有一个内存管理硬件单元,它是是介于处理器和片外存储器之间的中间层,提供对虚拟地址(VA)向物理地址(PA)的转换。这中技术很通用,但只适用于有内存管理单元的SoC。而很多嵌入式设备使用的SoC根本没有内存管理单元。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种嵌入式设备程序动态加载方法,能够复用嵌入式设备的运行内存,解决在有限内存的嵌入式内存不够用的问题,使得开发者在内存受限的嵌入式设备中开发出功能更丰富的应用。
为实现上述目的,本发明方法中嵌入式设备的SoC(System on Chip,片上系统)中具有以下硬件资源:
a.内存保护单元MPU:MPU将内存M划分为可访问区域内存和不可访问区域内存;当SoC访问到不可访问区域内存时,MPU发出中断信息,触发SoC中断;
b.地址映射单元MMU:MMU将内存映射到多个地址空间;
程序动态加载方法具体如下:
步骤(1)MPU将内存M划分为可访问区域内存MY和不可访问区域内存MN;需要加载的程序逻辑上将不可访问区域内存MN划分成多个固定大小的内存块P1,P2,…,Pm;
步骤(2)将需要加载的程序R划分成两段,前段程序RF的大小R1小于等于可访问区域内存MY的空间大小M1,后段程序RB的大小R2大于不可访问区域内存MN的空间大小M2;
步骤(3)将后段程序RB划分成多个固定大小的程序块K1,K2,…,Kn,每个程序块与划分的内存块大小相同,程序块的数量n大于内存块的数量m;
步骤(4)将前段程序RF链接至一个虚拟地址空间S1,将后段程序RB链接至另一个虚拟地址空间S2;即前段程序RF运行时地址编译为属于S1地址空间的地址,后段程序RB运行时地址编译为属于S2地址空间的地址;
步骤(5)SoC初始化时,配置地址映射单元MMU,MMU将内存M映射的到地址空间S1;
步骤(6)SoC初始化后,配置内存保护单元MPU,将地址空间S1配置为可访问区域,地址空间S2配置为不可访问区域;
步骤(7)启动加载,将前段程序RF加载到可访问区域内存MY,开始执行前段程序RF;
步骤(8)当需要执行后段程序RB时,按照以下操作:
(8-1)如果需要执行后段程序RB中的一个程序块Kx,x∈[1,n],SoC访问虚拟地址空间S2,MPU检测到S2被访问,触发SoC中断;
(8-2)SoC执行中断服务函数,在P1,P2,…,Pm中,如果找到一个没有被使用过的内存块Py,y∈[1,m],则将程序块Kx的内容加载到内存块Py中;
如果全部为已使用,选择其中一个Py,取消其原有映射到S2的映射关系,并标记为未被使用,将程序块Kx的内容加载到内存块Py中;选择Py的策略采用以下之一:
a.按照使用的时间顺序,将最早使用过的映射到S2的内存块作为Py;
b.按照访问次数的顺序,将访问次数最少的映射到S2的内存块作为Py;
(8-4)配置内存保护单元MPU,将程序块Kx对应的地址区域修改为可访问区域;
(8-4)将内存块Py标记为已使用;
(8-5)SoC退出中断服务函数,继续执行;
步骤(9)对后段程序RB中所有的程序块K1,K2,…,Kn按照步骤(8)执行,直至执行完程序R。
采用本发明方法,在程序运行时重复利用嵌入式设备的运行内存,让开发者在内存受限的嵌入式设备中开发出功能更丰富的应用。相比MMU虚拟地址转换技术,本发明方法只需要SoC有一个简单的内存保护单元和简单的地址转换模块,就能实现运行时重复运行内存,在项目中使用价格更低的SoC,降低项目成本。相比XIP技术,本发明方法程序存储介质也可用是NandFlash,降低了存储介质的使用成本。
附图说明
图1为本发明方法中SoC初始化时内存M、程序R的地址空间分配示意图;
图2为动态加载后内存M、程序R的地址空间分配示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
一种嵌入式设备程序动态加载方法,嵌入式设备的SoC中具有内存保护单元MPU和地址映射单元MMU。
内存保护单元MPU:MPU将内存M划分为可访问区域内存和不可访问区域内存;当SoC访问到不可访问区域内存时,MPU发出中断信息,触发SoC中断;
地址映射单元MMU:MMU将内存映射到多个地址空间。
如图1所示:
步骤(1)MPU将内存M划分为可访问区域内存MY和不可访问区域内存MN;需要加载的程序逻辑上将不可访问区域内存MN划分成多个固定大小的内存块P1,P2,…,Pm;
步骤(2)将需要加载的程序R划分成两段,前段程序RF的大小R1小于等于可访问区域内存MY的空间大小M1,后段程序RB的大小R2大于不可访问区域内存MN的空间大小M2;
步骤(3)将后段程序RB划分成多个固定大小的程序块K1,K2,…,Kn,每个程序块与划分的内存块大小相同,程序块的数量n大于内存块的数量m;
步骤(4)将前段程序RF链接至一个虚拟地址空间S1,将后段程序RB链接至另一个虚拟地址空间S2;即前段程序RF运行时地址编译为属于S1地址空间的地址,后段程序RB运行时地址编译为属于S2地址空间的地址;
步骤(5)SoC初始化时,配置地址映射单元MMU,MMU将内存M映射的到地址空间S1;
步骤(6)SoC初始化后,配置内存保护单元MPU,将地址空间S1配置为可访问区域,地址空间S2配置为不可访问区域;
步骤(7)启动加载,将前段程序RF加载到可访问区域内存MY,开始执行前段程序RF。
如图2所示:
步骤(8)当需要执行后段程序RB时,按照以下操作:
(8-1)如果需要执行后段程序RB中的一个程序块Kx,x∈[1,n],SoC访问虚拟地址空间S2,MPU检测到S2被访问,触发SoC中断;
(8-2)SoC执行中断服务函数,在P1,P2,…,Pm中,如果找到一个没有被使用过的内存块Py,y∈[1,m],则将程序块Kx的内容加载到内存块Py中;
(8-3)配置地址映射单元MMU,将内存块Py的地址区域映射到程序块Kx对应的地址区域;
(8-4)配置内存保护单元MPU,将程序块Kx对应的地址区域修改为可访问区域;
(8-4)将内存块Py标记为已使用;
(8-5)SoC退出中断服务函数,继续执行;
(8-6)SoC执行中断服务函数时,如果P1,P2,…,Pm全部为已使用,对其中一个Py取消原有映射到S2的映射关系,并标记为未被使用,继续执行(8-2)~(8-5)。
选择Py的策略为以下之一:
a.按照使用的时间顺序,将最早使用过的映射到S2的内存块作为Py;
b.按照访问次数的顺序,将访问次数最少的映射到S2的内存块作为Py。
步骤(9)对后段程序RB中所有的程序块K1,K2,…,Kn按照步骤(8)执行,直至执行完程序R。
以内置128K内存、64K NorFlash的嵌入式设备SoC为例,在实际方案发现开发过程中,需要运行的程序大小为512K,大于64K NorFlash大小。通过该方法能让芯片内运行该程序。
方案相关模块介绍:
SoC内置SRAM:静态随机存取存储器,程序加载到SRAM才能运行。
SoC内置NorFlash:用于存储可执行程序常用部分。
SoC内置MMU单元:用于内存地址翻译(映射)。
SoC内置MPU单元:用于配置某一块地址空间是否可访问。当访问到一块不可访问的地址空间时,会报异常中断。
外置NorFlash:用于存储动态加载的部分程序。
具体方案:
(1)内置SRAM地址初始化被映射到0x1000_000-0x1001_FFFF.其中0x1000_00000_0x100_FFFF被配置为可访问区域;0x1001_000-0x1001_FFFF配置为不可访问区域,并以4K固定大小分块。
(2)MMU映射一块虚拟的地址空间0x1200_0000-0x1207_FFFF,配置为不可访问区域。
(3)可执行程序R大小为512K,其中的64K运行时地址编译为0x1000_0000-0x100_FFFF,被烧录在内置NorFlash中,其余部分运行时地址编译为0x1200_0000-0x1207_FFFF,烧录在外置NorFlash中。
(4)系统启动,把内置NorFlash中的程序加载到SRAM的0x1000_00000_0x100_FFFF开始执行。
(5)程序需要从0x1200_0000-0x1207_FFFF范围内取指,如0x1206_2224,触发MPU中断。
(6)执行中断服务程序中,触发中断的地址进行4K对齐为0x1206_2000,获取到该该地址的内容在外置NorFlash中的位置0x0006_2000。
(7)执行中断服务程序中,在0x1001_000-0x1001_FFFF地址中找一个未被使用过的4K内存块,如0x1001_0000-0x1001_0FFF,从外置NorFlash加载0x0006_2000-0x0006_2FFF范围内的数据到内存0x1001_0000-0x1001_0FFF。
(8)执行中断服务程序中,通过MMU把内存0x1001_0000-0x1001_0FFF地址重新映射到0x1206_2000-0x1206_2FFF,并把该内存标记为已使用。通过MPU把0x1206_2000-0x1206_2FFF配置为可访问区域
(9)执行中断服务程序中,如果发现0x1001_000-0x1001_FFFF全部被重映射使用,通过先入先出算法找到一个最早被映射的内存块,如0x1001_0000-0x1001_0FFF,取消该内存块的原有映射,标记为未使用,重复步骤(6)到(8)。退出中断服务程序,继续执行0x1206_2224地址的代码。
程序在运行过程重会重复执行步骤(5)到(9),实现烧录在外置NorFlash中的程序动态的加载到SRAM中执行。上述实施例仅为本发明较佳的实施方式,应该理解,本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种嵌入式设备程序动态加载方法,其特征在于:所述的嵌入式设备的SoC中具有内存保护单元MPU和地址映射单元MMU;具体加载方法如下:
步骤(1)MPU将内存M划分为可访问区域内存MY和不可访问区域内存MN;需要加载的程序逻辑上将不可访问区域内存MN划分成多个固定大小的内存块P1,P2,…,Pm;
步骤(2)将需要加载的程序R划分成两段,前段程序RF的大小R1小于等于可访问区域内存MY的空间大小M1,后段程序RB的大小R2大于不可访问区域内存MN的空间大小M2;
步骤(3)将后段程序RB划分成多个固定大小的程序块K1,K2,…,Kn,每个程序块与划分的内存块大小相同,程序块的数量n大于内存块的数量m;
步骤(4)将前段程序RF链接至一个虚拟地址空间S1,将后段程序RB链接至另一个虚拟地址空间S2;即前段程序RF运行时地址编译为属于S1地址空间的地址,后段程序RB运行时地址编译为属于S2地址空间的地址;
步骤(5)SoC初始化时,配置地址映射单元MMU,MMU将内存M映射的到地址空间S1;
步骤(6)SoC初始化后,配置内存保护单元MPU,将地址空间S1配置为可访问区域,地址空间S2配置为不可访问区域;
步骤(7)启动加载,将前段程序RF加载到可访问区域内存MY,开始执行前段程序RF;
步骤(8)当需要执行后段程序RB时,按照以下操作:
(8-1)如果需要执行后段程序RB中的一个程序块Kx,x∈[1,n],SoC访问虚拟地址空间S2,MPU检测到S2被访问,触发SoC中断;
(8-2)SoC执行中断服务函数;在P1,P2,…,Pm中,如果找到一个没有被使用过的内存块Py,y∈[1,m],则将程序块Kx的内容加载到内存块Py中;
如果全部为已使用,选择其中一个Py,取消其原有映射到S2的映射关系,并标记为未被使用,将程序块Kx的内容加载到内存块Py中;
(8-3)配置地址映射单元MMU,将内存块Py的地址区域映射到程序块Kx对应的地址区域;
(8-4)配置内存保护单元MPU,将程序块Kx对应的地址区域修改为可访问区域;
(8-4)将内存块Py标记为已使用;
(8-5)SoC退出中断服务函数,继续执行;
步骤(9)对后段程序RB中所有的程序块按照步骤(8)执行,直至执行完程序R。
2.如权利要求1所述的一种嵌入式设备程序动态加载方法,其特征在于,(8-2)中选择Py的策略是按照使用的时间顺序,将最早使用过的映射到S2的内存块作为Py。
3.如权利要求1所述的一种嵌入式设备程序动态加载方法,其特征在于,(8-2)中选择Py的策略是按照访问次数的顺序,将访问次数最少的映射到S2的内存块作为Py。
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CN114253588A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-03-29 | 紫光同芯微电子有限公司 | 芯片软件打补丁的方法、装置和存储介质 |
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