嵌入式系统中的内存压缩技术

1 内存压缩技术介绍

为节省存储空间或传输带宽，人们已经在计算机系统中广泛地使用了数据压缩技术。在磁介质存储数据或网络传输数据时，人们使用基于硬件或软件的各种压缩技术。当压缩技术在各个领域都很流行时，内存压缩技术却由于其复杂性而一直未得到广泛使用。近年来，由于在并行压缩一解压算法以及在硅密度及速度方面取得的进展，使得内存压缩技术变得可行。

内存压缩技术的主要思想是将数据按照一定的算法压缩后存入压缩内存中，系统从压缩内存中找到压缩过的数据，将其解压后即可以供系统使用。这样既可以增加实际可用的内存空间，又可以减少页面置换所带来的开销，从而以较小的成本提高系统的整体性能。

内存压缩机制是在系统的存储层次中逻辑地加入一层——压缩内存层。系统在该层中以压缩的格式保存物理页面，当页面再次被系统引用时，解压该压缩页后，即可使用。我们将管理这一压缩内存层的相关硬件及软件的集合统称为内存压缩系统。内存压缩系统对于CPU、 I/O设备、设备驱动以及应用软件来说是透明的，但是操作系统必须具有管理内存大小变化以及压缩比率变化的功能。

对于大多数的操作系统而言，要实现内存压缩，大部分体系结构都不需要改动。在标准的操作系统中，内存都是通过固定数目的物理页框（page frame）来描述的，由操作系统的VMM来管理。要支持内存压缩，OS要管理的实际内存大小和页框数目是基于内存的压缩比率来确定的。这里的实现内存是指操作系统可的内存大小，它与物理内存的关系如下：假设PM是物理内存，RM（t）是系统在t时刻的实际内存，而CR（t）是压缩比率，在给定时刻t可支持的最大实际内存为RM（t）=CR1（t）×PM。然而，由于应用程序的数据压缩率是不依赖于OS而动态变化的，未压缩的数据可能会耗尽物理内存，因此当物理内存接近耗尽时，操作系统必须采取行动来解决这个问题。

2 内存压缩系统的硬件模型

目前由于内存压缩的思想越来越引起人们的注意市场上也出现了一些基于软件的内存压缩器。这些内存压缩器主要是通过软件对数据进行压缩，但由于访问压缩数据带来的延迟，它在系统性能方面改进并不明显，有些甚至降低了系统性能。本节介绍一种基于硬件的内存压缩系统模型。

图1是一个典型的内存压缩系统的硬件模型，包括了压缩内存、L3高速缓冲、压缩内存控制器等硬件部分。



其中压缩内存（133MHz SDRAM）包含了压缩数据。L3高速缓冲是一个共享的、32MB、4路组相联、可回写的高速缓冲，每行大小为1KB，由两倍数据率（DDR）SDRAM 制定。L3高速缓冲包含了未压缩的缓冲行，由于大部分的访问都可以在L3高速缓冲中命中，因此它隐藏了访问压缩主存引起的延迟。L3高速缓冲对于存储分级体系中的上层而言就是主存，它的操作对于其它硬件，包括处理器和I/O来说都是透明的。压缩内存控制器是整个内存压缩系统的控制中心，它负责数据的压缩 /解压，监控物理内存的使用情况以及实际地址到物理地址的寻址过程。

数据压缩过程是这样的：压缩内存控制将1KB的高速缓冲行压缩后写入压缩内存中，然后将它们从压缩内存中读出后解压。其压缩算法就是Lempel-Ziv算法，我们会在下一部分介绍这个算法。压缩机制将压缩的数据块以不同的长度格式存放到内存中。压缩内存的存储单元是一个256字节的区域。按照压缩比率不同，一个1KB的内存块（正好是L3每行的大小）可以占据0～4个压缩区域。

压缩内存控制器必须根据长度格式的不同将系统总线上的实际地址翻译成物理内存的中的物理地址。实际地址是出现在处理器外部总线上常规地址。篁 址用来录十压缩内存的256字节区域。实际地址空间存在于L1/L2/L3高速缓冲中，用于立即访问。而其余的内存内容部分以压缩形式存在于物理内存中。内存控制器通过查询压缩翻译表（CTT）执行从实际地址到物理地址的翻译，这个表被保留在物理内存的某个位置。图2是CTT表的格式及内存控制器的寻址模式。



每个1KB内存块的实际地址映射到CTT的一项，而 CTT每项共16字节，包括四个物理区域地址，每个地址指向物理内存听一个256字节区域。对于少于120位的块，如一个全为零的块，则使用一种特殊的 CTT格式，称为通用行格式。在这种格式中，压缩数据全部存放在CTT项中，代替了四个地址指针。因此，一个1KB的通用块仅占用物理内存中的16字节，其压缩比率达到64：1。

压缩内存控制器中有一系列的寄存器用于监控物理内存使用。Sectors Used Register(SUR)向操作系统报告压缩内存的使用情况。The Sectors Used Threshold Registers,SUTHR和SUTLR，用于设置内存耗尽情况的中断入口点。SUTLR寄存器是PCI中断电路INTA的入口，而SUTHR寄存器是NMI中断的入口。当SUR超过了SUTLR的值，内存控制器产生一个中断，则操作系统采取措施来阻止内存消耗。

在实际地址到物理地址的转换中，一个有用的方法是快速页操作。它允许控制器仅修改CTT项的四个指针，从而将4KB的页面内容换出或清空。快速页操作通过将与4KB页面相关的CTT项全部修改通用行格式（即全为零），从而将这4KB页面的内容全部清空。同样，一对页面可以通过交换它们相关的CTT项的区域指针来交换页面内容。由于没有大量的数据移动发生，快速页面操作速度相当快。

压缩内存控制器的压缩/解压功能是基于LempelZiv算法来进行的，因此下一节将简单介绍一下该算法的思想。