FAT文件系統在NAND Flash存儲器上的改進設計
關鍵詞 NAND Flash存儲器 FATl6文件系統FAT表FRT表
NAND Flash存儲器是一種數據正確性非理想的器件，容易出現位反轉現象，同時在使用中可能會有壞損單元。數據寫入必須在李白的區(qū)塊或者擦除后的區(qū)塊巾進行，其底層技術要求以塊為單位進行擦除(將“Oxff”寫入到要擦除的存儲塊中)，再按頁寫入。Flash存儲器的擦除次數是有限的，一般是100000次。當某塊執(zhí)行過度的擦除操作后，這一塊的存儲空間將會變?yōu)椤爸蛔x”狀態(tài)，不能再寫入數據。根據以上特點，為了避免某些塊的過度操作，而導致存儲卡使用壽命降低，設計專門針對Flash存儲器的文件系統是必要的。
1 NAND FIash存儲器的特點
NAND Flash存儲器的讀取操作與普通SRAM存儲器類似，可以隨機讀取，讀出的速度也很快。芯片生產廠商規(guī)定存儲空間的第1塊必須是有效塊，裝載了出廠標識、系統配置等信息；而其他塊可能在使用前就足壞塊，需要在初次使用時進行壞塊檢測并標記，禁止數據寫入，由于存儲器每一塊的內部結構都是相互獨立的，壞塊并不影響系統的操作。
在設計NAND Flash文件系統前，首先要了解其內部結構。目前市面上的NAND Flash芯片單片容量已高達lGB，存儲器容量最高達4GB(由4片1GB的芯片封裝而成)。知名的NAND Flash制造商有Samsung、Tashiba等公司。下面以Samsung公司的K9wAG08UlM為例，說明大容量NAND Flash芯片的組織結構。在K9WAG08U1M中，頁(page)是最基本的組織單位。每頁有2048+64=2112字節(jié)，64頁構成一個塊。(block)，每塊的容量是(2048+64)×64=(128KB+4KB)，芯片共8192塊，總存儲容量為(128KB+4KB)×8192=lGB+32MB。存儲器每頁帶有64字節(jié)的冗余字節(jié)。整個芯片共計32 MB的冗余空間，用于存放塊信息和ECC校驗碼等。
2 FIash文件系統的應用特點
目前嵌入式設備的Flash文件系統主要有3種：M-Systems公司的TrueFFS、JFFSx以及唯一專門針對NAND F1ash設計的YAFFS。這3種Flash文件系統都引入了日志結構的思想，其巾JFFSx和YAFFS是代碼開源的。
現在大多數嵌入式手持設備上的操作系統采用FAT文件系統，而DOS下通用的FAT文件系統并不適合直接移植到Flash存儲器中．主要有以下3個原因：第l，嵌入式系統的應用條件惡劣，電源電壓不穩(wěn)定，突發(fā)性斷電以及非法插拔都將對Flash的存儲造成災難性的影響；通用文件系統對于可靠性的設計考慮不足。第2，通用文件系統的記錄信息需要被多次改寫(如FAT表)，而記錄信息放在固定的區(qū)塊中，將導致該區(qū)塊的頻繁使用，影響整個Flash器件的使用壽命。第3，Flash存儲器讀取速度比磁盤驅動器快，存儲的內容很多是多媒體數據資料。這些數據允許一定程度的誤碼率，未必需要像通用文件系統那樣嚴格保證存儲的正確性。如果通過靈活的校驗機制與壞損管理，則可以達到更高效的存儲空間利用率。這對成本敏感的嵌入式系統來說是更加需要考慮的。
針對上述情況，本設計構建了一個適合NAND Flash存儲器的FAT文件系統。針對其存儲特點，對FAT表和FRT表的存儲方式進行了改進，延長了使用壽命，增強了可靠性，使之更有利于Flash存儲器的應用。
3 FAT文件系統的結構
FAT文件系統技術成熟、結構簡單、系統資源開銷小，易于在嵌入式系統的硬件平臺上實現。
文件系統由以下4部分組成：
O——系統記錄區(qū)(System Record Region)；
1——FAT表區(qū)(FAT Region)；
2——文件登記表區(qū)(File Register Table Region)；
3——數據區(qū)(Data Region)。
①系統記錄區(qū)(System Record Region，SR)存放最重要的文件系統信息，如Flash存儲器的類型、容量、版本信息、數據區(qū)域的位置和大小，還包括分區(qū)表和主引導程序。主引導程序的任務是檢查分區(qū)表是否正確，自動讀取
FAT表和FRT表，將其復制到控制終端的內存中。
②文件分配表(File Allocation Table，FAT)存放Flash存儲器上所有區(qū)塊的占用與空閑情況以及每個文件的存儲連接結構。FAT文件系統中有12位、1 6位、32位3種不同的格式。不同格式的文件系統管理存儲單元的個數不同，如FATl6文件系統采用16位字長的分配表，最多可以管理2的16次方(65536)的基本存儲單元。
③文件登記表(File Register Table，FRT)緊跟在FAT表之后．存放F1ash文件系統中每一個文件的代號、長度、屬性、目錄、生成或最后修改的時間，以及該文件的存儲鏈在文件分配表中的入口。
④數據區(qū)域(Data Region)用于存放數據。本Flash文件系統中，數據分配的最小單位是Flash存儲器的一個基本擦除單元，即一個物理區(qū)塊(block)。
考慮到文件系統在嵌入式設備上實現的方便性并權衡Flash存儲器的應用規(guī)模．選擇、建立FATl6文件系統。
4 FAT文件系統的改進設計
當文件系統工作時，發(fā)生變化的只有FAT表和緊跟在其后的FRT表，因此，只用跟蹤記錄FAT表和FRT表就能知道文件操作的具體情況，這也是文件系統的核心；但Flash存儲器結構與硬盤不同，不能直接改寫其內容。直接移植的FAT文件系統、FAT表和FRT表始終存放在同一個區(qū)塊中，將會導致該區(qū)塊的使用壽命明顯比其他的區(qū)塊短。如果這一重要區(qū)域失效，那么將影響整個存儲器的使用，因此必須改進兩個表的存儲方式。
Flash生產廠商設定的存儲空間的第l區(qū)塊必定是有效塊。在改進的設計中，將第1個區(qū)塊(128KB+4KB)作為存儲器的系統記錄區(qū)，同時在此區(qū)塊中建立一個100KB(50頁)的空白區(qū)域，用于記錄FAT表在Flash中的起始地址(FRT表緊跟FAT表之后，不必再單獨記錄其首地址)。按照寫入操作以頁為單位的規(guī)則，100 KB的空間，可以加入FAT表的起始地址50次。
FIash第1塊的分配信息區(qū)結構如圖1所示。
改進設計的文件系統把FAT表和FRT表作為可移動的數據放在某一個區(qū)塊內，在Flash的系統信息區(qū)中記錄著FAT表的首地址，并用指針指向它。每次FAT表存儲的位置發(fā)生變化時，只需將新位置的首地址添加到系統信息區(qū)的空白區(qū)域中，再調整指針的指向。這樣避免了FAT表和FRT表始終在一個區(qū)塊中反復擦寫，導致該區(qū)塊被過度使用，縮短存儲器的壽命。文件系統的操作原理框網如圖2所示。
圖2中，主引導區(qū)程序首先讀出存儲在系統信息區(qū)中FAT表的首地址，找到FAT表和FRT表，再將其復制到控制終端的內存中進行操作(內存中可以按位修改，避免Flash不能按位修改的問題)。由于FAT文件系統是索引的鏈式結構，在內存中修改FAT表和FRT表的同時，也將兩個表的改寫情況以鏈式的方式緊跟在Flash存儲器中兩個表后面的空白區(qū)域里。這樣在任何時候發(fā)生突然掉電或非法插拔而導致內存中FAT表和FRT表丟失的情況下，也能根據Flash中改寫的內容恢復兩個表，提高文件系統的可靠性。
在全部操作完成后，先把內存中的FAT表和FRT表寫到存儲器的轉存區(qū)塊中，擦除原來表所在的區(qū)塊，再將轉存區(qū)塊中的內容復制到擦除后的原區(qū)塊中。最后，擦除轉存區(qū)塊，完成整個一次操作。
同時，為了避免表存儲區(qū)塊的過度使用，當其擦除操作次數到了一個閾值(如500000次)時，先將FAT表和FRT表移動到其他空白區(qū)塊，新區(qū)塊作為表的存儲區(qū)塊。再把其中FAT表的首地址，寫到FIash存儲器的系統信息區(qū)的預留空白區(qū)域中，通過變化指針，程序在下次操作時將讀取新地址。原先存放FAT表和FRT表的區(qū)塊被標志為無效，最后通過Flash的垃圾回收策略，回收此區(qū)塊。這樣可達到將FAT表和FRT表作為移動數據存儲的目的，延長了使用壽命，如圖3所示。
上面的設計中，存儲器第l區(qū)塊作為信息記錄區(qū)塊。其中的預留空白空間可以記錄50個地址，可以滿足FAT表和FRT表移動5O次。表存儲區(qū)塊的使片j壽命提高了5O倍。
經過上面的改進，文件系統不僅避免了FAT表和FRT表始終在一個塊中被過度使用的現象，也避免了在任何時候，發(fā)生掉電或非法插拔的情況。仍然可以根據Flash中修改過的內容重新建立新的FAT表和FRT表，使文件系統不至于遭到致命的破壞。這樣雖然占用了一些Flash資源，但確保了文件系統的安全性和可靠性。通過這樣的沒計，即使出現了操作異常的情況，錯誤也只涉及當時被操作的文件，不會擴散給F1ash存儲器中的其他文件，更不會因此徹底損壞FAT表和FRT表，造成整個文件系統的癱瘓。
結語
根據嵌入式系統中Flash存儲器的特點沒計的FAT文件系統，對FAT表和FRT表的存儲方式進行了改進，使其使用壽命和可靠性都有了較大的提高。即使在嵌入式設備操作異常頻發(fā)的惡劣工作條件下，文件系統也能夠保證安全地工作。此文件系統出于可靠性的考慮，較通常的文件系統只多占用1個D(塊(轉存區(qū)塊)的資源，而對于嵌入式上使用的NANE)Flash存儲器，這樣的耗費完全是可以接受的。
編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www．mesnet．com．cn。
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