基于FLASH介質嵌入式存儲方案的設計與實現(xiàn)

時間：2006-08-21 22:23:00

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[導讀]基于FLASH介質嵌入式存儲方案的設計與實現(xiàn)

摘要作為一種新型的存儲介質，FLASH以其優(yōu)良的特性，在嵌入式領域中得到了廣泛的應用。本文通過分析FLASH介質的自身特性，并結合嵌入式系統(tǒng)的特點，設計實現(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)據不丟失等一系列優(yōu)點，已成為嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據和程序最主要的載體。由于FLASH在結構和操作方式上與硬盤、E2ROM等其他存儲介質有較大區(qū)別，使用FLASH時必須根據其自身特性，對存儲系統(tǒng)進行特殊設計，以保證系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)。

2 FLASH的特點

FLASH是一種非易失性存儲器NVM（Non-Volatile Memory），根據結構的不同可以將其分成NOR FLASH和NAND FLASH兩種。但不管哪一種都具有如下特點：

1．區(qū)塊結構

FLASH在物理結構上分成若干個區(qū)塊，區(qū)塊之間相互獨立。比如NOR FLASH把整個Memory分成若干個Sector，而NAND FLASH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)據位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對存儲器進行寫入之前必須先執(zhí)行擦操作，將預寫入的數(shù)據位初始化為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NOR FLASH的讀，F(xiàn)LASH的其它操作不能像RAM那樣，直接對目標地址進行總線操作。比如執(zhí)行一次寫操作，它必須輸入一串特殊的指令（NOR FLASH），或者完成一段時序（NAND FLASH）才能將數(shù)據寫入到FLASH中。

4．位反轉

由于FLASH固有的電器特性，在讀寫數(shù)據過程中，偶然會產生一位或幾位數(shù)據錯誤。這就是位反轉。位反轉無法避免，只能通過其他手段對結果進行事后處理。

5．壞塊

FLASH在使用過程中，可能導致某些區(qū)塊的損壞。區(qū)塊一旦損壞，將無法進行修復。如果對已損壞的區(qū)塊進行操作，可能會帶來不可預測的錯誤。尤其是NAND FLASH在出廠時就可能存在這樣的壞塊（已經被標識出）。

3 關鍵設計

3.1 FLASH通用設計

對于一個嵌入式系統(tǒng)，設備的兼容性越好，系統(tǒng)可行性就越好，產品也就越有競爭力。所以，為了兼容不同類型的FLASH設備，對FLASH進行通用設計至關重要。

對于NOR FLASH，數(shù)據的讀操作可以通過獨立的數(shù)據總線和地址總線快速完成，然而NOR FLASH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的芯片這些指令互不相同。這就導致了設備的不兼容。

對于NAND FLASH，也存在這樣的問題。NAND FLASH可以根據相同的指令讀取芯片的廠商號和設備號,從而通過識別設備號調用對應的時序流程實現(xiàn)操作。但是，系統(tǒng)中太多的判斷，會使得程序的結構變得非常復雜。所以，在一定的條件下，NAND FLASH設備還是不兼容的。

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構特性按照統(tǒng)一的格式存放到FLASH中固定位置。系統(tǒng)初始化時，將這個結構讀入系統(tǒng)，通過分析這個結構，可以獲得關于芯片所有相關信息，包括操作指令，區(qū)塊分布等等。這樣，系統(tǒng)可以輕松實現(xiàn)對不同型號FLASH的所有操作，極大地提高了設備的擴展性。

3.2 雙模式文件系統(tǒng)設計

嵌入式系統(tǒng)中文件數(shù)據的存放一般有兩種結構，一種是索引格式的線性結構，一種是非線性的鏈表式結構。這兩種結構各有優(yōu)缺點。比如對于系統(tǒng)配置、點陣字庫等一些具有固定結構的系統(tǒng)數(shù)據，索引結構比鏈表式結構更有效率。但對于經常更新的用戶數(shù)據，鏈表式結構要比索引結構更靈活。如果系統(tǒng)能將兩種結構集成，勢必能將性能發(fā)揮到最優(yōu)。

實現(xiàn)這種集成的方法是將設備定義成若干個分區(qū)，每個分區(qū)相互獨立，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)據就可以根據自己的屬性選擇存放的分區(qū)。比如系統(tǒng)數(shù)據存放在使用索引線性結構的分區(qū)，用戶數(shù)據存放在使用鏈式非線性結構的分區(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。當讀寫數(shù)據時，遍歷壞塊表中的塊號，將文件的邏輯地址轉換成對應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)實現(xiàn)

4.1 結構定義

圖1 －存儲結構

系統(tǒng)的存儲結構如圖1所示，在FLASH的Block0位置存放整個系統(tǒng)最重要的數(shù)據——系統(tǒng)記錄SR（System Record）。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其實就是一個定義好的數(shù)據結構，它包括媒質信息和文件系統(tǒng)信息兩部分。媒質信息包括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）和結束地址。FLASH設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)采用的是鏈式文件系統(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；如果采用的是鏈式文件系統(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、長度以及校驗模式。其中，校驗模式用來標識文件讀寫時采用差錯校驗的級別。不同類型的文件采用不同級別的校驗方式。0級不進行校驗，1級ECC校驗，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。鏈式文件系統(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介質上實現(xiàn)鏈式文件系統(tǒng)，Sector大小的選擇是一個關鍵，由于FLASH的寫操作，擦操作是以Page，Block為單位的，設小了使大塊結構的FLASH寫操作復雜，設多了又浪費空間，因此最好的選擇是將Sector大小設為擦操作的最小單位16K。

整個邏輯分區(qū)中，INDEX,FAT,FRT表中的內容非常重要，一旦因為異常產生錯誤，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 – 層次結構

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。當需要數(shù)據時，它通過調用文件系統(tǒng)層提供的接口函數(shù)獲取數(shù)據，它不關心數(shù)據的來源和正確性。

2. 文件系統(tǒng)層

文件系統(tǒng)層的任務是實現(xiàn)它和操作系統(tǒng)層的函數(shù)接口。在實現(xiàn)方式上，線性文件系統(tǒng)和鏈式文件系統(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)，而鏈式文件系統(tǒng)是每次先把對應的整個頁讀到文件緩沖區(qū)，然后再把所需數(shù)據拷貝到讀到指定內存。文件刪除mfdelete，線性文件系統(tǒng)需要重新整理，不然就會因為大量的數(shù)據空洞（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。鏈式文件系統(tǒng)只需修改文件系統(tǒng)的 FAT和FRT，而不用做其他任何處理，當下次寫入操作用到該塊時，自動完成擦除。

3. 驅動層

驅動層的任務是完成與FLASH之間的通訊協(xié)議，實現(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, 隨機讀取mRnRead, 隨機寫入mRnWrite。mPageRead，mPageWrite，mBlockErase對整頁或塊進行操作，在鏈式文件系統(tǒng)中調用； mRnRead, mRnWrite對字節(jié)單位進行操作，在線性文件系統(tǒng)中調用。其中mRnWrite比較麻煩，以寫一個Byte為例，它的操作分三步，首先將目標塊中的所有數(shù)據讀到內存Buffer中，然后將要寫入的數(shù)據更新到Buffer，擦除目標塊，最后將已更新的Buffer寫回到目標塊,這里的Buffer大小是一個Block。由于嵌入式系統(tǒng)的內存資源比較緊張，系統(tǒng)采用了塊交換技術以降低成本,方法是在FLASH中搜索一個空閑塊，用它充當Buffer的角色。

5 結論

通過上面的設計，所實現(xiàn)的存儲系統(tǒng)具有以下的特點：

1．使用通用模式設計，增強了系統(tǒng)對FLASH設備的兼容性；

2．使用雙模式文件結構設計，使不同類型的數(shù)據處理效率同時達到最優(yōu)；

3．使用地址映射表，屏蔽了壞塊帶來的隱患，增強了系統(tǒng)的健壯性；

4．對重要數(shù)據采用備份保護，保證不會因為斷電等異常導致系統(tǒng)的崩潰，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性；

5．采用塊交換技術，節(jié)約系統(tǒng)成本；

6．進行分級差錯校驗，提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率；

因此，本文所設計的FLASH存儲系統(tǒng)，非常適合于嵌入式系統(tǒng)的應用。