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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；重點介紹內(nèi)存壓縮系統(tǒng)的硬件要求及操作系統(tǒng)對內(nèi)存壓縮機制的支持；簡單介紹內(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。1 內(nèi)存壓縮技術(shù)介紹
為節(jié)省存儲空間或傳輸帶寬，人們已經(jīng)在計算機系統(tǒng)中廣泛地使用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。在磁介質(zhì)存儲數(shù)據(jù)或網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時，人們使用基于硬件或軟件的各種壓縮技術(shù)。當(dāng)壓縮技術(shù)在各個領(lǐng)域都很流行時，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。
內(nèi)存壓縮機制是在系統(tǒng)的存儲層次中邏輯地加入一層——壓縮內(nèi)存層。系統(tǒng)在該層中以壓縮的格式保存物理頁面，當(dāng)頁面再次被系統(tǒng)引用時，解壓該壓縮頁后，即可使用。我們將管理這一壓縮內(nèi)存層的相關(guān)硬件及軟件的集合統(tǒng)稱為內(nèi)存壓縮系統(tǒng)。內(nèi)存壓縮系統(tǒng)對于CPU、I/O設(shè)備、設(shè)備驅(qū)動以及應(yīng)用軟件來說是透明的，但是操作系統(tǒng)必須具有管理內(nèi)存大小變化以及壓縮比率變化的功能。
對于大多數(shù)的操作系統(tǒng)而言，要實現(xiàn)內(nèi)存壓縮，大部分體系結(jié)構(gòu)都不需要改動。在標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)中，內(nèi)存都是通過固定數(shù)目的物理頁框（page frame）來描述的，由操作系統(tǒng)的VMM來管理。要支持內(nèi)存壓縮，OS要管理的實際內(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時刻的實際內(nèi)存，而CR（t）是壓縮比率，在給定時刻t可支持的最大實際內(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而動態(tài)變化的，未壓縮的數(shù)據(jù)可能會耗盡物理內(nèi)存，因此當(dāng)物理內(nèi)存接近耗盡時，操作系統(tǒng)必須采取行動來解決這個問題。
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)存壓縮器主要是通過軟件對數(shù)據(jù)進行壓縮，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高速緩沖對于存儲分級體系中的上層而言就是主存，它的操作對于其它硬件，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，我們會在下一部分介紹這個算法。壓縮機制將壓縮的數(shù)據(jù)塊以不同的長度格式存放到內(nèi)存中。壓縮內(nèi)存的存儲單元是一個256字節(jié)的區(qū)域。按照壓縮比率不同，一個1KB的內(nèi)存塊（正好是L3每行的大�。┛梢哉紦�(jù)0～4個壓縮區(qū)域。
壓縮內(nèi)存控制器必須根據(jù)長度格式的不同將系統(tǒng)總線上的實際地址翻譯成物理內(nèi)存的中的物理地址。實際地址是出現(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)行從實際地址到物理地址的翻譯，這個表被保留在物理內(nèi)存的某個位置。圖2是CTT表的格式及內(nèi)存控制器的尋址模式。
每個1KB內(nèi)存塊的實際地址映射到CTT的一項，而CTT每項共16字節(jié)，包括四個物理區(qū)域地址，每個地址指向物理內(nèi)存聽一個256字節(jié)區(qū)域。對于少于120位的塊，如一個全為零的塊，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)全部存放在CTT項中，代替了四個地址指針。因此，一個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。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)生一個中斷，則操作系統(tǒng)采取措施來阻止內(nèi)存消耗。
在實際地址到物理地址的轉(zhuǎn)換中，一個有用的方法是快速頁操作。它允許控制器僅修改CTT項的四個指針，從而將4KB的頁面內(nèi)容換出或清空�？焖夙摬僮魍ㄟ^將與4KB頁面相關(guān)的CTT項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，一對頁面可以通過交換它們相關(guān)的CTT項的區(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算法來進行的，因此下一節(jié)將簡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，都是基于對原子記錄（Token）字符串的完全重復(fù)檢測。這個算法雖然不是最好的算法，但是，Lempel-Ziv算法強調(diào)的是算法的簡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-
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