基于FLASH介質(zhì)嵌入式存儲方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要:作為一種新型的存儲介質(zhì)，flash以其優(yōu)良的特性，在嵌入式領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過分析flash介質(zhì)的自身特性，并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)于兼容性、可靠性以及開銷等方面都得到充分優(yōu)化的flash存儲系統(tǒng)。 關(guān)鍵字嵌入式系統(tǒng)文件系統(tǒng)flash 1引言 flash（閃速存儲器）作為一種安全、快速的存儲體，具有體積小、容量大、成本低、掉電數(shù)據(jù)不丟失等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和程序最主要的載體。由于flash在結(jié)構(gòu)和操作方式上與硬盤、e2rom等其他存儲介質(zhì)有較大區(qū)別，使用flash時必須根據(jù)其自身特性，對存儲系統(tǒng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。 2flash的特點(diǎn) flash是一種非易失性存儲器nvm（non-volatilememory），根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以將其分成norflash和nandflash兩種。但不管哪一種都具有如下特點(diǎn)： 1．區(qū)塊結(jié)構(gòu) flash在物理結(jié)構(gòu)上分成若干個區(qū)塊，區(qū)塊之間相互獨(dú)立。比如norflash把整個memory分成若干個sector，而nandflash把整個memory分成若干個block； 2．先擦后寫 由于flash的寫操作只能將數(shù)據(jù)位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對存儲器進(jìn)行寫入之前必須先執(zhí)行擦操作，將預(yù)寫入的數(shù)據(jù)位初始化為1。擦操作的最小單位是一個區(qū)塊，而不是單個字節(jié)。 3．操作指令 除了norflash的讀，flash的其它操作不能像ram那樣，直接對目標(biāo)地址進(jìn)行總線操作。比如執(zhí)行一次寫操作，它必須輸入一串特殊的指令（norflash），或者完成一段時序（nandflash）才能將數(shù)據(jù)寫入到flash中。 4．位反轉(zhuǎn) 由于flash固有的電器特性，在讀寫數(shù)據(jù)過程中，偶然會產(chǎn)生一位或幾位數(shù)據(jù)錯誤。這就是位反轉(zhuǎn)。位反轉(zhuǎn)無法避免，只能通過其他手段對結(jié)果進(jìn)行事后處理。 5．壞塊 flash在使用過程中，可能導(dǎo)致某些區(qū)塊的損壞。區(qū)塊一旦損壞，將無法進(jìn)行修復(fù)。如果對已損壞的區(qū)塊進(jìn)行操作，可能會帶來不可預(yù)測的錯誤。尤其是nandflash在出廠時就可能存在這樣的壞塊（已經(jīng)被標(biāo)識出）。 3關(guān)鍵設(shè)計(jì) 3.1flash通用設(shè)計(jì) 對于一個嵌入式系統(tǒng)，設(shè)備的兼容性越好，系統(tǒng)可行性就越好，產(chǎn)品也就越有競爭力。所以，為了兼容不同類型的flash設(shè)備，對flash進(jìn)行通用設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 對于norflash，數(shù)據(jù)的讀操作可以通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線快速完成，然而norflash的其他操作需要通過特殊的指令來完成，更糟糕的是不同廠商生產(chǎn)的芯片這些指令互不相同。這就導(dǎo)致了設(shè)備的不兼容。 對于nandflash，也存在這樣的問題。nandflash可以根據(jù)相同的指令讀取芯片的廠商號和設(shè)備號,從而通過識別設(shè)備號調(diào)用對應(yīng)的時序流程實(shí)現(xiàn)操作。但是，系統(tǒng)中太多的判斷，會使得程序的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。所以，在一定的條件下，nandflash設(shè)備還是不兼容的。 為了解決這一問題，一個較好的方法是將flash的各個操作指令以及結(jié)構(gòu)特性按照統(tǒng)一的格式存放到flash中固定位置。系統(tǒng)初始化時，將這個結(jié)構(gòu)讀入系統(tǒng)，通過分析這個結(jié)構(gòu)，可以獲得關(guān)于芯片所有相關(guān)信息，包括操作指令，區(qū)塊分布等等。這樣，系統(tǒng)可以輕松實(shí)現(xiàn)對不同型號flash的所有操作，極大地提高了設(shè)備的擴(kuò)展性。 3.2雙模式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 嵌入式系統(tǒng)中文件數(shù)據(jù)的存放一般有兩種結(jié)構(gòu)，一種是索引格式的線性結(jié)構(gòu)，一種是非線性的鏈表式結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。比如對于系統(tǒng)配置、點(diǎn)陣字庫等一些具有固定結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，索引結(jié)構(gòu)比鏈表式結(jié)構(gòu)更有效率。但對于經(jīng)常更新的用戶數(shù)據(jù)，鏈表式結(jié)構(gòu)要比索引結(jié)構(gòu)更靈活。如果系統(tǒng)能將兩種結(jié)構(gòu)集成，勢必能將性能發(fā)揮到最優(yōu)。 實(shí)現(xiàn)這種集成的方法是將設(shè)備定義成若干個分區(qū)，每個分區(qū)相互獨(dú)立，不同分區(qū)可以使用不同的文件模式。這樣，不同類型的數(shù)據(jù)就可以根據(jù)自己的屬性選擇存放的分區(qū)。比如系統(tǒng)數(shù)據(jù)存放在使用索引線性結(jié)構(gòu)的分區(qū)，用戶數(shù)據(jù)存放在使用鏈?zhǔn)椒蔷€性結(jié)構(gòu)的分區(qū)。 3.3壞塊處理 flash中的壞塊處理是一件很棘手的問題，如果沒有有效的管理，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性會造成嚴(yán)重影響。一個可行的解決方法是生成一張壞塊表，壞塊表中記錄所有壞塊的塊號，并且按塊號從小到大排序，壞塊表在讀寫過程中動態(tài)更新。當(dāng)讀寫數(shù)據(jù)時，遍歷壞塊表中的塊號，將文件的邏輯地址轉(zhuǎn)換成對應(yīng)flash物理地址，以保證所用的flash地址空間不存在壞塊。 4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 4.1結(jié)構(gòu)定義
圖1－存儲結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)如圖1所示，在flash的block0位置存放整個系統(tǒng)最重要的數(shù)據(jù)——系統(tǒng)記錄sr（systemrecord）。選擇block0的原因是一般flash出廠時，都能保證block0是完好的，因此可以避免壞塊問題帶來的不便。sr其實(shí)就是一個定義好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包括媒質(zhì)信息和文件系統(tǒng)信息兩部分。媒質(zhì)信息包括flash存儲器的類型、容量、塊類型的大小和數(shù)量（blockinfo）、flash操作命令（commandinfo）等。文件系統(tǒng)信息包括版本信息、各邏輯分區(qū)的起始地址（物理地址）和結(jié)束地址。flash設(shè)備可以被分成一個或多個邏輯分區(qū)，每個邏輯分區(qū)采用的操作方式可以互不相同，如圖1中device0分區(qū)采用的是線性文件系統(tǒng)，device1分區(qū)采用的是鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)。如果采用的是線性文件系統(tǒng)，在分區(qū)信息后面加入文件索引表index起始地址、大小等信息；如果采用的是鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)，則加入文件系統(tǒng)頁大小、文件分配表fat和文件登記表frt所在的位置等信息。 文件登記表frt位于fat后的頁中，存放著邏輯分區(qū)中文件的信息，如文件總數(shù)、每個文件的文件代號、位置、長度以及校驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｆ渲?，校?yàn)?zāi)Ｊ接脕順?biāo)識文件讀寫時采用差錯校驗(yàn)的級別。不同類型的文件采用不同級別的校驗(yàn)方式。0級不進(jìn)行校驗(yàn)，1級ecc校驗(yàn)，2級逐個字節(jié)比較。 對于線性文件系統(tǒng)分區(qū)，所有文件順序存儲，讀取數(shù)據(jù)時，直接通過index索引得到某個文件的邏輯起始地址，然后從這個地址開始順序搜索，獲取某個偏移位置下的n個連續(xù)byte。鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)是將地址空間分成若干個等分，即sector，它是操作的最小單位；一個大文件可以分布在不連續(xù)的多個sector中，然后通過fat表將它們連接起來；在flash介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)，sector大小的選擇是一個關(guān)鍵，由于flash的寫操作，擦操作是以page，block為單位的，設(shè)小了使大塊結(jié)構(gòu)的flash寫操作復(fù)雜，設(shè)多了又浪費(fèi)空間，因此最好的選擇是將sector大小設(shè)為擦操作的最小單位16k。 整個邏輯分區(qū)中，index,fat,frt表中的內(nèi)容非常重要，一旦因?yàn)楫惓．a(chǎn)生錯誤，可能會影響到所有文件；所以，這三個文件都做了備份處理，備份存放于不同的block中。同時，在對他們處理時，改寫表中的更新狀態(tài)。0xff表示開始更新,0x00表示更新結(jié)束。在文件系統(tǒng)初始化時，讀取它們的更新狀態(tài)，如果表中的更新狀態(tài)為0xff，說明該表存在操作異常，可用備份表更正。 4.2層次接口 整個存儲系統(tǒng)分成三層，如圖2所示。
圖2–層次結(jié)構(gòu) 1.操作系統(tǒng)層 在整個存儲系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)扮演的是使用者的角色。當(dāng)需要數(shù)據(jù)時，它通過調(diào)用文件系統(tǒng)層提供的接口函數(shù)獲取數(shù)據(jù)，它不關(guān)心數(shù)據(jù)的來源和正確性。 2.文件系統(tǒng)層 文件系統(tǒng)層的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)它和操作系統(tǒng)層的函數(shù)接口。在實(shí)現(xiàn)方式上，線性文件系統(tǒng)和鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)有較大區(qū)別。比如文件讀取mfread,線性文件系統(tǒng)直接讀取所要的字節(jié)，而鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)是每次先把對應(yīng)的整個頁讀到文件緩沖區(qū)，然后再把所需數(shù)據(jù)拷貝到讀到指定內(nèi)存。文件刪除mfde-lete，線性文件系統(tǒng)需要重新整理，不然就會因?yàn)榇罅康臄?shù)據(jù)空洞（由于空間太小，無法放入新文件的小塊區(qū)域）使得系統(tǒng)很快沒有可用空間。鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)只需修改文件系統(tǒng)的fat和frt，而不用做其他任何處理，當(dāng)下次寫入操作用到該塊時，自動完成擦除。 3.驅(qū)動層 驅(qū)動層的任務(wù)是完成與flash之間的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)它和文件系統(tǒng)層的函數(shù)接口。接口函數(shù)包括頁面讀mpageread，頁面寫mpagewrite,塊擦除mblockerase,隨機(jī)讀取mrnread,隨機(jī)寫入mrnwrite。mpageread，mpagewrite，mblockerase對整頁或塊進(jìn)行操作，在鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)中調(diào)用；mrnread,mrnwrite對字節(jié)單位進(jìn)行操作，在線性文件系統(tǒng)中調(diào)用。其中mrnwrite比較麻煩，以寫一個byte為例，它的操作分三步，首先將目標(biāo)塊中的所有數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存buffer中，然后將要寫入的數(shù)據(jù)更新到buffer，擦除目標(biāo)塊，最后將已更新的buffer寫回到目標(biāo)塊,這里的buffer大小是一個block。由于嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存資源比較緊張，系統(tǒng)采用了塊交換技術(shù)以降低成本,方法是在flash中搜索一個空閑塊，用它充當(dāng)buffer的角色。 5結(jié)論 通過上面的設(shè)計(jì)，所實(shí)現(xiàn)的存儲系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)： 1．使用通用模式設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)對flash設(shè)備的兼容性； 因此，本文所設(shè)計(jì)的flash存儲系統(tǒng)，非常適合于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [1]mikeficco.《如何在嵌入式電子設(shè)備中建立多媒體文件系統(tǒng)》.電子工程專輯，2004.02 |
