基于虛擬扇區(qū)的Flash存儲(chǔ)管理技術(shù)

    摘要：首先，針對(duì)閃存Flash的存儲(chǔ)編程特點(diǎn)，提出一種基于虛擬扇區(qū)的閃存管理技術(shù)，使系統(tǒng)對(duì)Flash的擦寫次數(shù)大大降低，從而提高Flash的使用壽命和整個(gè)系統(tǒng)的性能。然后，通過嵌入式系統(tǒng)電子名片管理器，介紹這一技術(shù)的使用。隨著閃存的廣泛應(yīng)用，對(duì)Flash的有效存儲(chǔ)管理將有很大的實(shí)用意義和社會(huì)效益。

    關(guān)鍵詞：閃存Flash 虛擬扇區(qū)VSS 存儲(chǔ)管理 扇區(qū)分配表SAT

引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，大量需要一種能多次編程，容量大，讀寫、擦除快捷、方便、簡(jiǎn)單，外圍器件少，價(jià)格低廉的非易揮發(fā)存儲(chǔ)器件。閃存Flash存儲(chǔ)介質(zhì)就是在這種背景需求下應(yīng)運(yùn)而生的。它是一種基于半導(dǎo)體的存儲(chǔ)器，具有系統(tǒng)掉電后仍可保留內(nèi)部信息，及在線擦寫等功能特點(diǎn)，是一種替代EEPROM存儲(chǔ)介質(zhì)的新型存儲(chǔ)器。因?yàn)樗淖x寫速度比EEPROM更快，在相同容量的情況下成本更低，因此閃存Flash將是嵌入式系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成單元。

然而，由于Flash讀寫存儲(chǔ)的編程特點(diǎn)，有必要對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)過程管理，以使整個(gè)系統(tǒng)性能得以改善。

1 閃存Flash的存儲(chǔ)編程特點(diǎn)

Flash寫：由1變?yōu)?，變?yōu)?后，不能通過寫再變?yōu)?。

Flash擦除：由0變?yōu)?，不能只某位單元進(jìn)行擦除。

Flash的擦除包括塊擦除和芯片擦除。塊擦除是把某一擦除塊的內(nèi)容都變?yōu)?，芯片擦除是把整個(gè)Flash的內(nèi)容都變?yōu)?。通常一個(gè)Flash存儲(chǔ)器芯片，分為若干個(gè)擦除block，在進(jìn)行Flash存儲(chǔ)時(shí)，以擦除block為單位。

當(dāng)在一個(gè)block中進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，一旦對(duì)某一block中的某一位寫0，再要改變成1，則必須先對(duì)整個(gè)block進(jìn)行擦除，然后才能修改。通常，對(duì)于容量小的block操作過程是：先把整個(gè)block讀到RAM中，在RAM中修改其內(nèi)容，再擦除整個(gè)block，最后寫入修改后的內(nèi)容。顯然，這樣頻繁復(fù)雜的讀-擦除-寫操作，對(duì)于Flash的使用壽命以及系統(tǒng)性能是很不好的，而且系統(tǒng)也常常沒有這么大的RAM空間資源。一種基于虛擬扇區(qū)的管理技術(shù)可以有效地控制Flash的擦寫次數(shù)，提高Flash的使用壽命，從而提高系統(tǒng)性能。

2 基本原理

2.1概念

VSS（Visual Small Sector），虛擬小扇區(qū)：以它為單位讀寫Flash內(nèi)容。

VSS ID（Visual Small Sector Identity），虛擬小扇區(qū)號(hào)：只通過虛擬扇區(qū)號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，不用考慮它的真實(shí)物理地址。

SI（Sector Identity），分割號(hào)：一個(gè)擦寫邏輯塊中物理扇區(qū)的順序分割號(hào)。

BI（Block Identity）,塊號(hào)：Flash芯片中按擦除進(jìn)行劃分的塊號(hào)。

SAT（Sector Allocate Table），扇區(qū)分配表：一個(gè)擦寫邏輯塊中的扇區(qū)分配表。一個(gè)SAT由許多SAT單元組成，一個(gè)SAT表對(duì)應(yīng)一個(gè)Block，一個(gè)SAT單元對(duì)應(yīng)一個(gè)VSS。

每個(gè)SAT單元最高兩位為屬性位，后面各位為VSS ID號(hào)。如果一個(gè)SAT單元由16位組成，則VSS ID最大可以達(dá)到16×1024；而如果SAT單元由8位組成，則VSS ID最大可以達(dá)到64，具體約定由應(yīng)用情況而定。

2.2 實(shí)現(xiàn)原理

把每個(gè)block分為更小的虛擬邏輯塊（visual small sector），稱為虛擬扇區(qū)，扇區(qū)大小根據(jù)應(yīng)用而定。每個(gè)block前面的一固定單元用于記錄本block中扇區(qū)分配的使用情況（即扇區(qū)分配表），包括扇區(qū)屬性及扇區(qū)邏輯號(hào)。圖1為邏輯扇區(qū)劃分示意圖。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫和修改時(shí)，以虛擬扇區(qū)塊的大小為單位。要修改某一扇區(qū)的數(shù)據(jù)時(shí)，先讀出這個(gè)扇區(qū)的內(nèi)容，重新找一個(gè)未使用的扇區(qū)，把修改后的內(nèi)容寫入這個(gè)新扇區(qū)。然后，修改原來扇區(qū)的屬性值為無效，修改這個(gè)新扇區(qū)的屬性為有效，拷貝VSS ID號(hào)到新扇區(qū)對(duì)應(yīng)的SAT單元中。

這樣，當(dāng)某一個(gè)block中的SAT屬性都標(biāo)為無效時(shí)，才對(duì)當(dāng)前block進(jìn)行擦寫。可見，以虛擬扇區(qū)大小為單位的存儲(chǔ)管理，對(duì)Flash塊的擦寫次數(shù)可大大減少，從而提高了系統(tǒng)性能。

3 VSS管理實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

3.1 常數(shù)部分

#define BLOCKSIZE 128*1024 //可根據(jù)Flash型號(hào)修改

#define SECTORSIZE 512 //可根據(jù)Flash型號(hào)及應(yīng)用情況修改

#define MAX_BLOCK 8 //可擦除塊個(gè)數(shù)

#define MAX_SI_1B 255 //每個(gè)可擦除塊中有效SI個(gè)數(shù)

#define SATSIZE 510 //扇區(qū)分配表大小

#define VSS_MASK 0XC000 //VSS屬性屏蔽值

#define VSS_FREE 0XC000 //VSS為未使用的屬性值

#define VSS_VALID 0X4000 //VSS為有效的屬性值

#define VSS_INVALID 0X0000 //VSS為無效的屬性值

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)部分

unsigned char VSS_Table[MAX_BLOCK][MAX_SI_1B/8];用于記錄Flash中各個(gè)block的使用情況。數(shù)組中的某位為1，表示相應(yīng)sector為未使用；否則，為已經(jīng)寫過，系統(tǒng)通過這個(gè)表可以跟蹤各個(gè)block的使用情況。

3.3 函數(shù)功能部分

1） Flash_Format()//擦除整塊Flash存儲(chǔ)介質(zhì)。

2） Flash_Init()//對(duì)VSS管理系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，填充VSS_Table表，統(tǒng)計(jì)Flash的使用情況。在系統(tǒng)復(fù)位初始時(shí)調(diào)用。

3） Block_Erase(int blockID)//擦除塊號(hào)為block ID的塊。

4） Find_VSS(int vss)//查找VSS所在的block ID及分割號(hào)SI。

5） Get_Addr(int vss)//取得VSS所在的物理地址。

6） Scan_SAT(int blockID)//整理塊號(hào)為block ID的SAT，填充VSS_Table[]。

7） Flash_Read(long addr,char *pdata,int len)//從物理地址為addr的Flash處讀取len個(gè)字節(jié)到pdata。

8） Flash_Write(long addr,char *pdata,int len)//寫pdata中長(zhǎng)度為len的數(shù)據(jù)到指定地址為addr的Flash中。

9） Read_Sat(int bi)//讀取塊號(hào)為blockID的SAT。

10） IsValid(vat)//檢查本SAT單元屬性是否有效。

11） IsFree(vat)//檢查本SAT單元屬性是否未使用。

12） IsInvalid(vat)//檢查本SAT單元屬性是否無效。

13） Read_VSS(addr)//從地址為addr處讀一個(gè)VSS。

14） Write_VSS(addr,*pData)//把pData中的內(nèi)容寫到從地址addr開始的一個(gè)VSS中。

4 計(jì)算VSS ID的物理地址

要對(duì)某個(gè)VSS ID進(jìn)行讀寫操作，必須先找到其物理地址。

定位某個(gè)VSS ID物理地址的過程如下。

① 查找這個(gè)VSS ID所在的塊號(hào)（BI）以及在這個(gè)塊中所處的分割號(hào)（SI）。

從第一個(gè)block開始，搜索這個(gè)塊的SAT表。首先搜索屬性，只有屬性為有效的才比較VSS ID號(hào)。如果條件滿足，記錄所在的塊號(hào)BI及SAT的位置，即扇區(qū)分割號(hào)SI；否則，block號(hào)增加，繼續(xù)按照上面步驟查找。

bFound=0;

for(int i=0;i<MAX_block;i++)

{//讀取對(duì)應(yīng)block的SAT表

psat=ReadSat(i)

for(j=0;j<MAX_SI_1B;j++)

{//分析每個(gè)SAT單元

sat=*psat++;

if(IsValid(sat))//比較屬性是否有效

{//比較邏輯號(hào)是否相等，相等設(shè)置標(biāo)志退出

if(Equal(sat,VSSID)){bFound=1;break;}

}

}

if(bFound){bi=i;si=j;break;}//找到后記錄塊號(hào)和分割號(hào)退出

}

②找到VSS ID所在的塊號(hào)及分割號(hào)（SI）后，這個(gè)VSS ID的物理地址為：

ADDR=整個(gè)Flash的偏地址+

BLOCKID*BLOCKSIZE+SATSIZE+SI*SECＴＥＲＳＩＺＥ。

５　應(yīng)用

應(yīng)用于名片記錄管理系統(tǒng)：由于名片記錄很大，而且記錄很多，存在常常修改的情況，因此可以使用Flash作存儲(chǔ)介質(zhì)。

名片記錄結(jié)構(gòu)為：

struct CARD

{

char name[10]; //姓名：１０字節(jié)

char position[15]; //出職務(wù)：１５字節(jié)

char companyname[40]; //公司名稱：１５字節(jié)

char mobilephone[11]; //手機(jī)號(hào)碼：１１字節(jié)

char homephone[15]; //家庭電話：１５字節(jié)

char officephone[15]; //辦公電話：１５字節(jié)

char Email[30]; //郵件地址：３０字節(jié)

char homepage[30]; //公司主頁(yè)：３０字節(jié)

char remark[40]; //備注：４０字節(jié)

｝card_record;

每個(gè)名片記錄大小為：１８１字節(jié)。

對(duì)于１ＭＢ的Flash，分為８?jìng)€(gè)block，每個(gè)block為１２８ＫＢ（１３１０７２字節(jié)）。

針對(duì)以上情況，作如下分配：

每個(gè)扇區(qū)大小為１８１字節(jié)；

ＳＡＴ大小為１４３２字節(jié)，每個(gè)ＳＡＴ單元用１６位（２字節(jié)）；

分為７１６個(gè)扇區(qū)，也相當(dāng)于１個(gè)block能存７１６條名片記錄，則１３１０７２－１４３２－７１６×１８１＝４４字節(jié)為空閑。

常數(shù)定義部分修改如下：

#define blockSIZE 128*1024 //每個(gè)block大小

#define SECTORSIZE 181 //每個(gè)扇區(qū)大小

＃define MAX_SI_1B 716 //每個(gè)可擦除塊中有ＳＩ個(gè)數(shù)

＃define SATSIZE 1432?。葏^(qū)分配表大小

#define VSS_MASK 0XC000 //ＶＳＳ屬性屏蔽值

#define VSS_FREE 0XC000 //VSS為未使用的屬性值

＃define VSS_VALID 0X4000 //VSS為有效的屬性值

＃define VSS_INVALID 0X0000 //VSS為無效的屬性值

約定：首先對(duì)名片進(jìn)行編號(hào)，且約定名片的編號(hào)對(duì)應(yīng)于ＶＳＳ?。桑倪壿嬏?hào)。

a) 記錄增加。增加一個(gè)記錄時(shí)，根據(jù)提供的ＶＳＳ　ＩＤ號(hào)，首先查找這個(gè)記錄號(hào)是否在使用。如果還沒有使用，首先查找這個(gè)記錄號(hào)是否在使用。如果還沒有使用，則申請(qǐng)一個(gè)未使用的ＶＳＳ，把相在內(nèi)容寫入這個(gè)ＶＳＳ，修改其對(duì)應(yīng)的ＳＡＴ單元，寫入有效屬性值和ＶＳＳＩＤ號(hào)；否則，進(jìn)入記錄修改過程。

b) 記錄刪除。要?jiǎng)h除一個(gè)記錄時(shí)，根據(jù)提供的ＶＳＳ?。桑奶?hào)，查找ＳＡＴ表。如果找到，修改其對(duì)應(yīng)的ＳＡＴ屬性為無效；否則，說明這個(gè)記錄不存在。

c) 記錄查找。①由ＶＳＳ?。桑奶?hào)進(jìn)行的查找：根據(jù)提供的ＶＳＳ　ＩＤ號(hào)，查找所有的ＳＡＴ表中屬性為有效的ＶＳＳ　ＩＤ，返回相應(yīng)的ＢＩ及ＳＩ。②根據(jù)名片的用戶名查找：檢測(cè)所有的ＳＡＴ表中屬性為有效的ＶＳＳ　ＩＤ，得到相應(yīng)的ＢＩ及ＳＩ，由ＢＩ及ＳＩ定位到指定Flash物理地址讀入用戶各到ＲＡＭ中，比較是否相等。如果相等，讀取并返回ＳＡＴ單元的ＶＳＳ?。桑模环駝t，繼續(xù)查找。

d) 記錄修改。當(dāng)要修改一名片記錄時(shí)，由ＶＳＳ?。桑南劝堰@個(gè)記錄讀入到ＲＡＭ中，然后修改其內(nèi)容，重新找一個(gè)未使用的扇區(qū)，把修改后的內(nèi)容寫入到這個(gè)新扇區(qū)中，并拷貝其ＶＳＳ　ＩＤ號(hào)到這個(gè)新扇區(qū)對(duì)應(yīng)的ＳＡＴ單元，修改其屬性為高，修改原來的扇區(qū)屬性為無效。

結(jié)語(yǔ)

本文提出的Flash存儲(chǔ)管理技術(shù)原理簡(jiǎn)單實(shí)用。它是對(duì)那些復(fù)雜的Ｆlash文件管理系統(tǒng)的一種剪裁、簡(jiǎn)化和定制。對(duì)于那些不需要復(fù)雜的文件管理系統(tǒng)，而又使用了Ｆlash作為存儲(chǔ)介質(zhì)的嵌入式系統(tǒng)有很好的借鑒意義和使用價(jià)值，如手機(jī)電話號(hào)碼簿管理、短信管理等都可以利用這種技術(shù)進(jìn)行管理。