基于VxWorks的FLASH存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)存取管理方案

[摘 要]： VxWorks操作系統(tǒng)提供文件系統(tǒng)來(lái)訪問和管理Flash 存儲(chǔ)器，這種方式不能滿足實(shí)時(shí)寫入和系統(tǒng)可控的要求。本文提出一種通過接管系統(tǒng)時(shí)鐘中斷來(lái)控制Flash Memory讀寫操作和基于管理區(qū)的簡(jiǎn)單可控文件管理方案，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)在不影響業(yè)務(wù)模塊運(yùn)行的前提下，滿足對(duì)實(shí)時(shí)性和可控性要求。
[關(guān)鍵詞]：閃存；系統(tǒng)時(shí)鐘；中斷；文件系統(tǒng)；

1． 引言
    cdma2000 1x移動(dòng)通信系統(tǒng)的基站主處理機(jī)采用WindRiver公司VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，選用FLASH 存儲(chǔ)器(以下簡(jiǎn)稱FLASH)作為外部存儲(chǔ)設(shè)備保存系統(tǒng)參數(shù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

    FLASH與普通磁介質(zhì)存儲(chǔ)器最大的差異在于寫操作方式不同，其寫操作相對(duì)于普通磁盤是比較慢的過程，消耗掉大量的CPU資源。FLASH基于命令字的寫操作方式導(dǎo)致的寫入錯(cuò)誤，雖然幾率很小但實(shí)際上是存在的。而商用VxWorks操作系統(tǒng)提供的dosFs文件系統(tǒng)和專用TrueFFS文件系統(tǒng)對(duì)該情況處理不足，并且用戶沒有相應(yīng)的源碼，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)寫操作錯(cuò)誤，將不可控制，降低了系統(tǒng)的可控性。所以，有必要對(duì)FLASH的存取操作加以改進(jìn)或控制，并設(shè)計(jì)一套相對(duì)應(yīng)的專用FLASH文件管理方案，滿足系統(tǒng)可控性的要求。

2． 存取設(shè)計(jì)
    FLASH寫操作基于命令字方式完成，分為擦除(erase)和編程(program)兩個(gè)階段。由于FLASH的編程指令只能使“1”改為“0”，擦除指令只能使“0”改為“1”，而且，擦除操作不能在字節(jié)或任意數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行，而必須是一個(gè)完整的扇區(qū)，所以向FLASH某位置寫入數(shù)據(jù)時(shí)，要先擦除目標(biāo)位置所在扇區(qū)的所有數(shù)據(jù)，然后才能進(jìn)行編程操作。實(shí)際上，只須向特定的寄存器寫入標(biāo)準(zhǔn)的指令序列，具體的擦除和編程過程就可由內(nèi)部嵌入的算法執(zhí)行。
                                                                              
2．1 設(shè)計(jì)思想
    通常，F(xiàn)LASH寫操作指令下達(dá)后，由驅(qū)動(dòng)程序完成命令字的設(shè)置。此時(shí)，數(shù)據(jù)被臨時(shí)存儲(chǔ)于FLASH的鎖存器中，但系統(tǒng)仍需要保持?jǐn)?shù)據(jù)總線直到寫入操作終止或完成才釋放。一個(gè)扇區(qū)的擦除是十幾毫秒的時(shí)間，一個(gè)字節(jié)的寫入是幾微秒的時(shí)間，可以看到，數(shù)據(jù)總線的占用過程消耗了大量的CPU時(shí)間。這部分資源的節(jié)約對(duì)于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)說是必要的。操作系統(tǒng)完全可以在設(shè)置寫操作命令字后釋放數(shù)據(jù)總線，退出FLASH操作，把擦除/編程過程的CPU時(shí)間用來(lái)執(zhí)行其他指令，等當(dāng)前命令字執(zhí)行完畢后，通過某個(gè)事件的觸發(fā)，使CPU跳轉(zhuǎn)回來(lái)設(shè)置下一個(gè)命令字。這就是改進(jìn)FLASH操作過程的設(shè)計(jì)思想。

2．2 實(shí)現(xiàn)過程
    觸發(fā)事件選擇和跳轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)短的控制是問題解決的關(guān)鍵，即在一個(gè)命令字操作完成后，選用什么方式來(lái)觸發(fā)下一個(gè)命令字操作。可以考慮的方式主要有掃描方式和中斷方式。

    通過掃描方式，當(dāng)應(yīng)用程序完成一次完整的處理周期時(shí)，掃描某個(gè)標(biāo)志狀態(tài)，判斷FLASH寫入操作是否進(jìn)行完成。如果完成，則再次設(shè)置命令字進(jìn)行操作。由于程序處理周期取決于應(yīng)用層業(yè)務(wù)處理時(shí)間，這種方式會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)周期不固定。

    采用中斷方式，可以通過設(shè)置中斷頻率來(lái)控制觸發(fā)周期。但必須選擇合適的中斷源，使其精度達(dá)到要求并且對(duì)系統(tǒng)沒有額外的影響。由于基站系統(tǒng)采用外部GPS時(shí)鐘，系統(tǒng)的單板時(shí)鐘閑置，其精度對(duì)于FLASH操作是足夠的，所以可以考慮選擇CPU時(shí)鐘中斷。問題在于VxWorks對(duì)該中斷是否有使用。實(shí)際上，VxWorks通過該時(shí)鐘中斷完成系統(tǒng)記數(shù)器，從而在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定時(shí)器，看門狗定時(shí)器，任務(wù)分時(shí)調(diào)度等功能組件。因此，接管時(shí)鐘中斷，必須在修改時(shí)鐘頻率同時(shí)，保證操作系統(tǒng)所需的系統(tǒng)記數(shù)器頻率不變。
 
    VxWorks提供sysClkConnect()函數(shù)允許時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)，根據(jù)指定參數(shù)掛接用戶定義的中斷處理程序，中斷處理完成后由用戶程序返回。VxWorks提供的usrClock()函數(shù)是系統(tǒng)缺省時(shí)鐘中斷處理函數(shù)，用來(lái)調(diào)用計(jì)數(shù)器函數(shù)tickAnnounce()，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)計(jì)數(shù)器的作用。時(shí)鐘中斷頻率由SYS_CLK_RATE設(shè)定，缺省值是60。因此，我們?cè)谔鎿Q時(shí)鐘中斷處理函數(shù)時(shí)，需要包含操作系統(tǒng)的記數(shù)器函數(shù)tickAnnounce()，并通過分頻的方法保證tickAnnounce()的調(diào)用和時(shí)鐘頻率修改前的調(diào)用頻率是一致的，從而使操作系統(tǒng)計(jì)數(shù)器感覺不到時(shí)鐘頻率修改和中斷處理函數(shù)被替換的區(qū)別。

    當(dāng)然，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的設(shè)置不能太高，通常時(shí)鐘頻率設(shè)置為60HZ(或100HZ)，當(dāng)頻率超過600HZ時(shí)，會(huì)使內(nèi)核調(diào)度用時(shí)比率偏高，而實(shí)際任務(wù)可用的CPU時(shí)間下降，處理器將花費(fèi)大多數(shù)時(shí)間來(lái)處理時(shí)鐘而使系統(tǒng)運(yùn)行效率下降或不可用。

    圖1給出了具體的實(shí)現(xiàn)流程圖。sysClkChange()是自定義的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率調(diào)整控制函數(shù)，該函數(shù)根據(jù)入口參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘中斷頻率，選擇掛接中斷的處理函數(shù)flsClock()或usrClock()。自定義的中斷處理函數(shù)的flsClock()通過調(diào)用usrClock()函數(shù)完成系統(tǒng)計(jì)數(shù)器功能。sysClkRateGet()和sysClkRateSet()函數(shù)是VxWorks提供的時(shí)鐘頻率設(shè)置函數(shù)。

    flsClock()還需要負(fù)責(zé)實(shí)際的寫入操作。首先檢查上一次中斷處理中的FLASH操作是否已經(jīng)完成。如果沒有完成，則返回，并記錄返回次數(shù)，若返回次數(shù)超過了一定限度，即認(rèn)為該片F(xiàn)LASH發(fā)生故障，向應(yīng)用層發(fā)出FLASH故障告警；如果已經(jīng)完成，則開始進(jìn)行本次操作，即先確定操作的類型(擦除還是編程)和相關(guān)參數(shù)(包括目標(biāo)扇區(qū)序號(hào)，目的地址，數(shù)據(jù)源地址等等)，然后調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的FLASH操作接口，完成命令字設(shè)置等操作。

3． 管理設(shè)計(jì)
    在I/O系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用程序可以通過符合標(biāo)準(zhǔn)I/O接口的文件系統(tǒng)調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)操作設(shè)備，也可以直接與驅(qū)動(dòng)程序連接來(lái)操作設(shè)備(VxWorks本身并不支持這種做法)。通常，采用文件系統(tǒng)來(lái)操作存取設(shè)備的方式，減少了驅(qū)動(dòng)程序必須支持的I/O操作接口函數(shù)的數(shù)目，在VxWorks開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用。

    VxWorks提供與MS-DOS兼容的dosFs文件系統(tǒng)供I/O接口調(diào)用，但dosFs文件系統(tǒng)本質(zhì)上容易受到某種類型磁盤故障的影響，導(dǎo)致更新過程中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致性，而且，dosFs文件系統(tǒng)是一個(gè)不考慮容錯(cuò)性能的文件系統(tǒng)，沒有考慮FLASH操作的特殊性，對(duì)于底層驅(qū)動(dòng)程序中FLASH命令字方式導(dǎo)致的寫入錯(cuò)誤無(wú)法處理。作為VxWorks的可選組件，M-System公司為VxWorks定制的TrueFFS組件提供了面向FLASH的專用文件系統(tǒng)。

    TrueFFS文件系統(tǒng)使用block-to-flash轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將閃存抽象為普通塊設(shè)備。基于動(dòng)態(tài)維護(hù)的映射圖使FLASH索引成一系列連續(xù)塊。進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入時(shí)，如果目標(biāo)塊已寫有數(shù)據(jù)，TrueFFS另找空閑區(qū)寫入，待數(shù)據(jù)安全寫入后，TrueFFS更新映射圖，將該塊指向?qū)懭氲男翭LASH地址。TrueFFS文件系統(tǒng)機(jī)制非常完善，但基站系統(tǒng)對(duì)FLASH功能要求比較單一，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件類型和存儲(chǔ)方式相對(duì)單一，TrueFFS文件系統(tǒng)并不能發(fā)揮其強(qiáng)大功能，反而降低了系統(tǒng)的性能。

3．1 設(shè)計(jì)思想
    參考dosFs文件系統(tǒng)和TrueFFS文件系統(tǒng)的管理方法，選取其中重要功能重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用層可控的FLASH管理方案。把FLASH劃分為管理區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)兩部分進(jìn)行組織管理。其中管理區(qū)存放文件管理信息，數(shù)據(jù)區(qū)存放數(shù)據(jù)文件。為了防止在修改管理區(qū)的過程中掉電，在存儲(chǔ)區(qū)的兩端設(shè)置雙備份的管理區(qū)。

    我們將FLASH最小管理單位定義為一個(gè)FLASH扇區(qū)（塊）。進(jìn)行FLASH操作之前，先將目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)容備份到內(nèi)存，在內(nèi)存中修改完畢后再固化到FLASH。管理區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)占用的空間是扇區(qū)的整數(shù)倍，這樣才不會(huì)在更新某些數(shù)據(jù)的同時(shí)，造成對(duì)已有數(shù)據(jù)的修改。對(duì)于比較小的文件，可能小于一個(gè)扇區(qū)的空間，導(dǎo)致FLASH空間的浪費(fèi)，但避免了因?yàn)楣蚕硗簧葏^(qū)造成不同文件操作之間的相互影響，降低數(shù)據(jù)被破壞的可能性，簡(jiǎn)化管理策略。

3．2 實(shí)現(xiàn)過程
    根據(jù)文件管理方案，假定用戶可修改的FLASH塊數(shù)為512，其中前后兩個(gè)管理區(qū)占用64塊，數(shù)據(jù)區(qū)可用448塊。FLASH管理區(qū)需要包含的內(nèi)容如表1所示。

    任何時(shí)刻，處于活動(dòng)狀態(tài)的管理區(qū)只有一個(gè)。在更新數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先更新處于活動(dòng)狀態(tài)的管理區(qū)，然后寫入數(shù)據(jù)文件，等待寫入穩(wěn)定后，更新另一個(gè)管理區(qū)，然后將另一個(gè)管理區(qū)置為當(dāng)前活動(dòng)狀態(tài)，原先管理區(qū)置為非活動(dòng)狀態(tài)。這樣可以保證在數(shù)據(jù)文件寫入失敗時(shí)，通過兩個(gè)管理區(qū)管理信息的一致性來(lái)識(shí)別數(shù)據(jù)的有效性。
      

    FLASH塊列表的每個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)扇區(qū)的占用情況，1表示該扇區(qū)已分配，0表示該扇區(qū)未分配，0xff表示該扇區(qū)壞死，不能使用。

    文件信息記錄位置按照系統(tǒng)配置好的處理機(jī)數(shù)目采用固定順序存放。更新任何一個(gè)數(shù)據(jù)文件之前，要更新該文件的信息記錄，確定該文件操作狀態(tài)，版本信息和存放位置。具體的組織結(jié)構(gòu)如表2所示。

    系統(tǒng)需要從FLASH讀取數(shù)據(jù)時(shí)，首先比較兩個(gè)FLASH管理區(qū)管理信息是否一致。如果一致，認(rèn)為數(shù)據(jù)有效，直接讀??；如果不一致，則說明存在FLASH操作異常，向系統(tǒng)操作維護(hù)控制臺(tái)(OMC)告警，并通知應(yīng)用程序請(qǐng)求向OMC下載寫入新的數(shù)據(jù)文件。

    當(dāng)需要?jiǎng)h除FLASH上數(shù)據(jù)文件時(shí)，只需將管理區(qū)中該文件操作狀態(tài)置成“無(wú)效”，并將其占用的扇區(qū)置成“未分配”狀態(tài)，然后更新FLASH管理區(qū)信息即可。

    這里沒有給出碎片收集和垃圾數(shù)據(jù)處理的機(jī)制，實(shí)際上，刪除操作所實(shí)現(xiàn)的功能即有回收垃圾數(shù)據(jù)所在扇區(qū)的作用，并且由應(yīng)用層控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)可控性。對(duì)于FLASH中存在的碎片，由于我們采取的是以扇區(qū)為單元進(jìn)行數(shù)據(jù)管理的，數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)空間是整數(shù)塊，而且塊列表可以不連續(xù)，所以不存在碎片的問題，從而就巧妙的避免了碎片收集的復(fù)雜性。

4． 總結(jié)
    本文介紹的FLASH操作方法以及與之配套的文件管理方案，為系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)省了可觀的時(shí)間，可以很好的解決了業(yè)務(wù)運(yùn)行與數(shù)據(jù)備份之間對(duì)系統(tǒng)資源占用的矛盾，對(duì)于FLASH操作相對(duì)頻繁和數(shù)據(jù)備份實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，都是適用的。

5． 參考文獻(xiàn)
[1] WindRiver Inc. VxWorks Programmer's Guide 5.4 Edition 1[EB/OL].1999
[2] WindRiver Inc. Tornado User's Guide 2.2 [EB/OL].2002
[3] 陳智育 溫彥軍等．VxWorks程序開發(fā)實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版，2003-9-1.177-200.