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SOC嵌入式软件架构设计之一--资源紧缺型嵌入式系统SOC的内存需求评估

2015-06-05 22:12 yueqian

内存是资源紧缺型系统SoC(System on Chip,片上系统)集成芯片设计的重要模块,是SoC中成本比重较大的部分。内存管理的软硬件设计是SoC软件架构设计的重要一环,架构设计师必须要在成本和效率中取得平衡,做到在节省内存的同时保证整个系统的性能。系统内存需求评估是对嵌入式软件架构师的最基本要求,同时也是其最重要的技能之一。一般在SoC项目立项的时候,架构师就要完成系统内存需求评估。


下面以低端多媒体电子(如bombox、点读学习机、录音笔等)解决方案中的SoC设计为原型,说明大致的评估流程。


1. 根据产品规格,对各个应用场景进功能和性能分解

产品规格一般会描述应用功能场景和性能。架构师要对各个场景进行功能和性能分解,分析各个场景在内存使用上的关系。包括:


1)列出所有的应用场景,明确各个应用的生命周期,在什么时候开始,什么时候结束。


2)系统是否要同时支持多个应用(多进程),例如听歌曲的时候要浏览图片,这意味中两个应用是同时利用内存,不能进行应用内存分时复用;


3)系统是否要同时支持多种介质,例如同时访问卡设备和闪存设备,一般在单进程时都只是访问单种存储设备,除非是实现数据复制,但在多进程的时候,不同的进程访问不同的存储设备也很正常,同时访问不同的存储设备意味着两种驱动是同时使用内存。


4)系统是否要同时支持多种文件系统。不同的存储设备可能部署不同的文件系统,其同样存在2)中的问题。


5)明确系统支持的编解码格式,其表现为算法内存需求。不同的编解码格式对内存的要求不同的,同样的算法时,不同的速率也导致不同的内存需求。


6)系统性能要求,例如LCD刷屏,有大块framebuffer自然会有更好的性能。

2. 对系统软件进行分层,明确每一层模块的组成

1)系统分启动、驱动、操作系统、文件系统、中间件(算法、UI)、应用框架、应用等层次,一般的消费类电子产品,如多媒体设备、游戏机等产品系统都会分成多个层次。每个层次又会有多个模块组成,如驱动分字符设备驱动和块设备驱动,一般按键属于字符设备,存储设备一般属于块设备;存储设备里可能支持nand flash、SD-MMC card、Uhost等;文件系统又有FAT32、exfat等等;应用层当然会包括很多个应用程序。


2)明确每个应用实现所需要的软件层次。有些应用可能要很多层,如音乐,从应用到应用框架(UI+按键)、API、中间件(解码)、操作系统、驱动等层次,而设置应用是不需要解码中间件的。

3. 明确每个软件层次中内存分时复用的模块,找出最大内存需求的模块

如《在资源紧缺型嵌入式系统中节省内存的软件设计技巧》这篇文章提到,应用、驱动、中间件、数据段都存在着复用的需求。要在上一节2)中的各个软件层次中区分各个不同的组成模块,明确各个模块是否能够进行分时复用。在复用的情况下,找出最大内存需求的模块,如nand flash驱动要比card驱动复杂,那nand flash驱动的内存需求自然要高;而音乐应用自然要比设置或者FM等应用要复杂,其内存需求自然也要更多。

4.对最大内存需求模块的代码进行分析,大致明确其常驻内存代码和分块(bank)管理的代码

常驻代码段一般是调用频繁的、性能要求高的代码段,如中断管理、消息管理等。一般应用中大量的代码是可以按需加载执行的,如音乐的音效管理和音量设置这些功能代码并不要求很高的执行性能,其是可以分时加载到内存执行,能够达到内存分时复用的目的。


5.确定各个软件层次的常驻代码空间和分时复用内存的空间

在成本的要求下尽可能减少常驻代码空间,会导致代码执行性能的降低,因为bank代码执行前要先进行加载,一般是从nand flash或者card中读取;在成本的要求下我们也想尽可能减少bank代码复用的内存空间,同样会导致bank代码切换频繁而降低性能,因此也不能一味地减少内存,而是仔细分析各个子模块的功能和性能对内存的大致要求。例如两个子模块的函数实现是8k和4k,那我们可以考虑2K的复用空间,即前者分成4个bank,后者2个bank,是否能够达到性能;如果复用空间设置为4K,效率会高一些,但成本会增加;如果设置为1k,那前者就会有8个bank,切换次数过多。

6.明确可以固化的代码空间

应用的常驻代码是不能固化的,因为不同的应用都需要常驻代码,即其是变化的,而像操作系统的中断管理、时间管理、任务调度管理等代码一般是不变的,其可以固化到ROM中,这样能达到节省内存的目的。

7.考虑其他特殊的需求

通过6,我们可以大致得到整个系统的内存需求。这时要考虑一些特殊的场景的内存需求,看之前制定的内存是否能够满足这个场景。例如启动阶段的内存需求分布,OS引导初始化时的内存要求等。这些并不是产品的规格,同样是架构设计师要考虑的。

一般会对6中得到的内存再次评估,以进行细微的调整。



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