嵌入式系統(tǒng)Flash存儲(chǔ)管理策略研究

1 引言

嵌入式系統(tǒng)中通常都需要存放一些非易失性數(shù)據(jù)， 并且數(shù)據(jù)量的大小和數(shù)據(jù)類型根據(jù)不同系統(tǒng)需求差異很大。因此選取合適的存儲(chǔ)器是完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的第一步， 更重要的是使存儲(chǔ)系統(tǒng)長期穩(wěn)定、高效的工作， 這就必須尋求一個(gè)完備的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)管理方法[ 1] 。本文介紹了一種適用于無文件系統(tǒng)環(huán)境下的N OR Flash 管理方法， 采用分塊管理和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法使得Flash 的使用效率和操作可靠性得到大大提高。

2 NOR Flash 存儲(chǔ)器及其特性

NOR Flash 和NAND Flash 是目前市場上兩種主要的Flash 存儲(chǔ)器。一般在非海量存儲(chǔ)型的嵌入式設(shè)備中都是直接采用NOR Flash 作為程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器， 這主要是由NORFlash 的特點(diǎn)所決定的。NOR Flash 的特點(diǎn)如下：

1) 存儲(chǔ)容量較小， 一般在1~ 16MByte 之間。

2) 具有和SRAM 相同的接口， 隨機(jī)讀取速度快， 可以做到芯片內(nèi)執(zhí)行( XIP) [ 2] 。

3) 存儲(chǔ)單元只能由1 寫成0， 因此進(jìn)行寫操作前必須先進(jìn)行擦除操作， 使對應(yīng)的單元變成1。

4) 器件有一定的使用壽命， 一般為10~ 100 萬次。隨著使用次數(shù)的增加， 可能有的單元會(huì)失效。但是NOR Flash 出廠時(shí)器件的每個(gè)單元都有效。NOR Flash 的眾多特性使得它成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首選的存儲(chǔ)器器件。由于NOR Flash 的擦除操作都是以塊為單位的， 并且不同種類的NOR Flash 器件所支持的擦除單位可能不一樣， 但是每種NOR Flash 器件都支持64KB 為單位的擦除[ 3~ 4] ， 因此后面介紹的分塊管理方法將以64KB為塊基本單位， 從而解決分塊管理方法在不同種類NOR Flash 器件上實(shí)現(xiàn)時(shí)所出現(xiàn)的數(shù)據(jù)備份問題。

3 NOR Flash 分塊管理方法

為了均衡每個(gè)Flash 分塊的使用次數(shù)， 提高整個(gè)存儲(chǔ)器件的使用壽命， 對Flash 采用分塊管理的方法[ 5] 。以64KB 為單位， 將系統(tǒng)分配用作非易失性數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行分塊操作， 其中每個(gè)分塊又分成16 字節(jié)的頭部信息與數(shù)據(jù)區(qū)域。分塊示意圖如圖1 所示。

圖1 分塊示意圖

正是利用分塊的頭部信息， 進(jìn)行擦除次數(shù)均衡與分塊狀態(tài)的切換。對于頭部幾個(gè)主要字段的定義如下：

1) Block_Flag ( 8bit) ： 用于標(biāo)志分塊的狀態(tài)， 總共有BF _NOT _ INIT ( 0xFF) 、BF _FREE ( 0xFE)、BF_COPYING_ DATA ( 0xFC )、BF _ COPY _ FINISHED(0xF8) 、BF_INUSE( 0xF0) 、BF_SRC_DATA ( 0xE0) 、BF_ERASING( 0xC0)、BF_INVALID(0x00) 8 種狀態(tài)。

2) Blo ck _ Data _ T ype ( 8bit ) 和Blo ck _ Data _Ty pe_Ext ( 8bit ) ： 分別表示該分塊存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型和子類型， 這兩個(gè)字段都由應(yīng)用程序所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型決定。例如學(xué)生信息的存儲(chǔ)， 可能的一種存儲(chǔ)方法是一個(gè)分塊存儲(chǔ)學(xué)生的學(xué)號信息， 而其它幾個(gè)分塊存儲(chǔ)學(xué)生的具體信息， 這時(shí)它們的數(shù)據(jù)類型一樣， 但是子類型卻不一樣。

3) Block_Erase_Counter( 32bit ) ： 該字段用來動(dòng)態(tài)記錄每個(gè)分塊的擦除次數(shù)， 從而方便應(yīng)用程序?qū)lash 分塊的使用次數(shù)進(jìn)行均衡。

4) Next_Off set ( 16bit ) ： 該字段為將來擴(kuò)展之用， 用來將64K 的分塊空間進(jìn)一步細(xì)化， 使得將來1 個(gè)64K 空間內(nèi)可以存儲(chǔ)不同類型的數(shù)據(jù)。

4 NOR Flash 分塊狀態(tài)切換與使用均衡

在Flash 的使用過程中， 必然存在著多次的數(shù)據(jù)更新， 當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)更新的一般做法是先將新數(shù)據(jù)寫入Flash， 然后將舊的數(shù)據(jù)置為無效狀態(tài)[ 6] 。如果每次數(shù)據(jù)更新都馬上將原先數(shù)據(jù)擦除，則將造成Flash 的擦除次數(shù)急劇增加。隨著數(shù)據(jù)更新次數(shù)的增多， 也就導(dǎo)致Flash 存儲(chǔ)系統(tǒng)中的可用資源不斷減少， 因此在某個(gè)時(shí)刻就必須對系統(tǒng)中的垃圾資源進(jìn)行回收。通過巧妙設(shè)置Flash 分塊的狀態(tài)，并在資源回收過程中對源、目標(biāo)兩個(gè)分塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)切換， 可以確保在資源回收過程中不會(huì)因掉電原因而產(chǎn)生數(shù)據(jù)的丟失。令回收源分塊為A， 新目標(biāo)分塊為B， 資源回收流程如圖2 所示。

圖2 資源回收流程圖

對于每次系統(tǒng)上電后， 應(yīng)用程序?qū)⒆x取每個(gè)Flash 數(shù)據(jù)分塊的頭部信息， 在內(nèi)存中建立相應(yīng)的分塊信息表， 同時(shí)根據(jù)頭部信息和空閑地址搜索算法去初始化每種數(shù)據(jù)類型的起始地址與空閑區(qū)域首地址， 同時(shí)必須對異常狀態(tài)進(jìn)行檢測恢復(fù)。其中對每個(gè)分塊的初始化主要是根據(jù)分塊頭部的狀態(tài)信息進(jìn)行判斷， 檢測是否之前有掉電過， 然后做出相應(yīng)處理， 主要有以下幾種可能：

1) 狀態(tài)為BF _NOT _INIT， 則將其初始化為BF_FREE 狀態(tài)。

2) 狀態(tài)為BF_FREE 或BF_INUSE， 則在內(nèi)存中建立分塊信息， 無需其它操作。

3) 狀態(tài)為BF _ COPYIN G _ DAT A 或BF _ERASING， 則將其擦除后置為BF_FREE 狀態(tài)。

4) 分塊A 狀態(tài)為BF_SRC_DATA， 如果有另一個(gè)分塊B 為BF_COPY _FINISHED， 則根據(jù)流程圖繼續(xù)完成資源回收操作。如果有另一個(gè)分塊B 為BF_COPYING_DAT A， 則擦除B 后置為BF_FREE 狀態(tài)， 然后對A 重新進(jìn)行資源回收操作。

5) 狀態(tài)為BF_INVA LID， 則該塊為壞塊， 不在內(nèi)存中建立分塊信息。為了均衡每一個(gè)分塊的使用次數(shù)， 延長整塊Flash 的使用壽命， 在每次進(jìn)行分塊擦除之后， 必須先將之前記錄下來的Block_Erase_Counter 加1， 然后組成新的頭部信息重新寫回分塊頭部， 從而達(dá)到動(dòng)態(tài)記錄每個(gè)分塊擦除次數(shù)的功能。在進(jìn)行空閑分塊申請的時(shí)候， 必須遍歷所有狀態(tài)為BF_FREE 分塊， 選取Block_Erase_Counter 數(shù)值最小的作為新分塊分配， 從而使得每個(gè)分塊的使用次數(shù)趨于一致。

5 分塊管理在嵌入式軟件系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

在嵌入式軟件的設(shè)計(jì)中， 良好的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)可以使得軟件具有更好的可靠性及可擴(kuò)展性。目前分層架構(gòu)是嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為流行的一種[ 7] 。因此在軟件實(shí)現(xiàn)過程中， 采用了分層的軟件架構(gòu)將分塊管理軟件分為Flash 驅(qū)動(dòng)層、No rFlash 分塊管理層和數(shù)據(jù)類型管理層三層。具體的軟硬件分層示意圖如圖3 所示。[!--empirenews.page--]

圖3 存儲(chǔ)模塊軟件構(gòu)架

軟件最底層為Flash 驅(qū)動(dòng)層， 考慮到NOR Flash存儲(chǔ)器的多樣性， 并且各種器件的底層驅(qū)動(dòng)可能不同， 因此Flash 驅(qū)動(dòng)層的建立可以向分塊管理層屏蔽具體的硬件信息。一般驅(qū)動(dòng)層的實(shí)現(xiàn)主要采用函數(shù)指針的方法進(jìn)行[ 8] ， 初始化時(shí)通過讀取不同F(xiàn)lash 的ID 分別對read、write 和erase 等基本操作函數(shù)指針進(jìn)行賦值， 此后上層軟件在對Flash 進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)則通過函數(shù)指針進(jìn)行， 并不清楚具體的Flash 信息。在嵌入式系統(tǒng)中， 非易失性數(shù)據(jù)的種類有多種多樣， 因此分塊管理層本身并不涉及具體類型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方法， 只是預(yù)留幾個(gè)字段用于記錄數(shù)據(jù)類型等信息[ 9] 。這些字段用于數(shù)據(jù)類型管理程序初始化時(shí)使用。數(shù)據(jù)類型管理層的主要功能是管理NOR Flash存儲(chǔ)器中不同類型的數(shù)據(jù)， 向應(yīng)用程序提供基于數(shù)據(jù)類型的各種操作， 屏蔽掉具體的分塊管理信息。分塊管理層程序負(fù)責(zé)資源回收算法、開機(jī)Flash 異?；謴?fù)算法的實(shí)現(xiàn)， 同時(shí)向數(shù)據(jù)類型管理層提供各種類型數(shù)據(jù)的所在的分塊地址信息。通過這種構(gòu)架使得每一層的實(shí)現(xiàn)都易于采用面向?qū)ο蟮乃枷雽?shí)現(xiàn)， 其中從底層至上層的對象分別Flash、分塊、數(shù)據(jù)類型。

6 結(jié)語

通過采用分塊管理與狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法， Flash的存儲(chǔ)性能有了較大的改善， 而且數(shù)據(jù)的可靠性也有很大提高， 特別適用于無文件系統(tǒng)嵌入式設(shè)備中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。同時(shí)通過合理的軟件構(gòu)架使得各個(gè)分層都易于采用面向?qū)ο蟮乃枷雽?shí)現(xiàn)， 這樣有利于軟件的擴(kuò)展與移植。目前這種方法已經(jīng)在數(shù)字電視機(jī)頂盒中采用， 實(shí)現(xiàn)效果甚好， 并且為上層軟件的設(shè)計(jì)帶來很大方便。