單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和管理

　　引言

　　在自動化測試領域里，單片機測試系統(tǒng)憑借其成熟的應用體系，簡單的系統(tǒng)結構以及優(yōu)良的性價比得到了越來越廣泛的應用。近年來，隨著新的測試對象不斷出現(xiàn)，以及測試手段的不斷發(fā)展，測試系統(tǒng)的功能越來越完善，各種應用場合對測試系統(tǒng)的要求也日益提高。現(xiàn)在的大多數(shù)測試系統(tǒng)不僅要完成工業(yè)現(xiàn)場的實時測控任務，同時還要進一步實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的實時處理和保存。以往在一般的單片機測試系統(tǒng)中，信息的存儲量并不大，系統(tǒng)只須用較少的資源就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。但是隨著存儲芯片技術的不斷發(fā)展，適用于單片機系統(tǒng)的存儲芯片已經(jīng)可以在掉電保護的情況下保存上百ＫＢ甚至幾ＭＢ的數(shù)據(jù)；同樣，目前的單片機測試系統(tǒng)也面臨動輒處理并保存上千條乃至近萬條測試數(shù)據(jù)的問題。這對一般的缺少操作系統(tǒng)支持的單片機測試系統(tǒng)來說，是一項相當復雜的工作，因而目前的測試系統(tǒng)往往只能針對具體數(shù)值對象進行處理，對大量采集數(shù)據(jù)采取簡單的順序存儲方式。顯然，這種方法缺少靈活性，不利于單片機測試系統(tǒng)處理大量測試數(shù)據(jù)，限制了測試系統(tǒng)在這方面的發(fā)展。

　　本文主要針對處理測試數(shù)據(jù)量較大的一類測試系統(tǒng)，討論測試數(shù)據(jù)的存儲和管理問題。這類測試系統(tǒng)往往由抗干擾能力較強的單片機和大容量、掉電保護的存儲芯片組成，同時配有高精度數(shù)字式傳感器；造價便宜，性能穩(wěn)定，適合工作在工業(yè)現(xiàn)場，保存和處理大量測試數(shù)據(jù)，有的甚至能夠與上位機組成測控網(wǎng)絡完成更為復雜的測試任務。本文將介紹一種應用于單片機測試系統(tǒng)的鏈式存儲方式，能夠在工業(yè)現(xiàn)場進行實時測控的同時，實現(xiàn)對大量測試數(shù)據(jù)的保存和管理，在實際應用中取得了良好的效果。

　　大容量單片機測試系統(tǒng)中的存儲結構

　　在大多數(shù)自動測試系統(tǒng)中，測試數(shù)據(jù)的邏輯結構一般都會遵循線性邏輯關系，即數(shù)據(jù)元素在時間或者空間順序上只分先后次序而不存在上下層次。因此在設計存儲結構時往往采用順序存儲結構，其優(yōu)點在于處理線性數(shù)據(jù)結構時速度快，而且結構簡單。

　　但是上述情況在前文所述的大容量測試系統(tǒng)中并不是普遍適用的。大容量測試系統(tǒng)雖然同樣是線性邏輯結構，但其測試數(shù)據(jù)變化多樣，構成數(shù)據(jù)元素的內部結構也非常復雜，而且系統(tǒng)又要執(zhí)行數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)查詢等多項指令操作，如果再應用順序存儲結構就會面臨許多問題。

　　首先，測試系統(tǒng)經(jīng)常會面臨一些較為特殊的測試對象。其測試信息較為復雜且數(shù)據(jù)長度不固定，顯然不利于采用順序存儲結構。假設系統(tǒng)按照時間或空間上的邏輯順序來進行順序存儲，那么對存儲空間的分配將成為難題。若分配空間過大，則影響存儲效率；反之，又會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出的情況。類似地，假設系統(tǒng)能夠安排好數(shù)據(jù)的存放空間，在進行數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)刪除等操作時系統(tǒng)也會顯得力不從心。

　　其次，采用順序存儲結構不能很好地處理抽象數(shù)據(jù)類型。系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)查詢以及數(shù)據(jù)刪除等操作時都要考慮數(shù)據(jù)元素的長度和內容，不能做到靈活、有效。當系統(tǒng)需要修改或升級時，對數(shù)據(jù)元素內部結構的修改又會影響到系統(tǒng)的整體操作，從而降低了系統(tǒng)的可靠性和高效性，同時使得系統(tǒng)進行維護和升級的難度大大增加。

　　綜上所述，順序存儲結構并不能解決大容量測試系統(tǒng)在存儲和管理數(shù)據(jù)時面臨的所有問題，因此在實際操作中必須考慮非順序存儲結構的應用。長久以來，在單片機系統(tǒng)中較少采用諸如鏈式存儲結構等非順序存儲結構，原因在于鏈式存儲結構必須有一套專門的存儲管理系統(tǒng)來支持。在通用計算機中，這一功能由操作系統(tǒng)或高級語言的編譯系統(tǒng)來實現(xiàn)，但在普通單片機系統(tǒng)中沒有成熟的應用案例，因而使程序設計的難度較高。下面介紹一種應用于大容量單片機系統(tǒng)的存儲管理系統(tǒng)，能夠支持大容量單片機測試系統(tǒng)的應用鏈式存儲方式。

　　大容量測試系統(tǒng)的存儲管理系統(tǒng)

　　對于采用鏈式存儲結構的大容量測試系統(tǒng)，鏈表中各結點的物理地址是不固定的。為避免在保存數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)的存儲空間沖突問題，需要建立專門的存儲管理系統(tǒng)來管理存儲空間的開辟和釋放。其中，數(shù)據(jù)引導表是存儲管理系統(tǒng)的基礎，負責記錄存儲空間中各個數(shù)據(jù)元素的存儲信息。利用數(shù)據(jù)引導表，同時配合實現(xiàn)開辟空間、釋放空間等操作的函數(shù)，測試系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對大量存儲空間的有效管理。

　　數(shù)據(jù)引導表

　　建立數(shù)據(jù)引導表，就是建立一種鏈表中各結點與其相應物理地址之間的聯(lián)系，規(guī)范每個結點對存儲空間的使用。在測試系統(tǒng)中，引導表只是占用存儲空間內劃分的一段固定區(qū)域，其記錄對象是一段已被分配占用的連續(xù)地址空間的首地址和末地址，標志著保存在存儲空間上的某個結點所分配占用的空間大小，稱為一個“記錄”。各個記錄在引導表中的物理地址是連續(xù)的，并且按照每個記錄首地址的大小依次排列。數(shù)據(jù)引導表工作原理如圖１所示。

　　圖１　數(shù)據(jù)引導表工作原理示意圖

　　在初始狀態(tài)時，內存引導表只有２個記錄，表明整個存儲空間的首地址和末地址，此時整個頁面空間沒有存儲任何測試數(shù)據(jù)。一旦有新的結點需要在這一空間上保存，ＣＰＵ將為該結點開辟一段連續(xù)的存儲區(qū)間供其使用，并將該段空間的首地址和末地址作為一個記錄寫入內存引導表中。同樣的當系統(tǒng)需要在某一頁面上刪除一個鏈表中的結點時，ＣＰＵ將其對應的記錄在內存引導表中刪除，以此來釋放此段地址空間。值得說明的是，對于在引導表中被釋放的存儲空間部分，其保存的內容并沒有真正刪除；在新的數(shù)據(jù)覆蓋該地址之前，ＣＰＵ還是可以通過直接訪問該地址來讀取其中的存儲數(shù)據(jù)。

　　管理存儲空間的函數(shù)

　　一般來講，在通用計算機中往往利用Ｃ語言中的標準庫函數(shù)ｍａｌｌｏｃ（）、ｒｅａｌｌｏｃ（）和ｆｒｅｅ（）來實現(xiàn)對存儲空間的分配和管理，但這種方式對于一般的大容量測試系統(tǒng)并不合適。