嵌入式系統(tǒng)中閃存設(shè)備I/O軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要  閃存作為最常用的嵌入式存儲設(shè)備，其管理和訪問技術(shù)對整個(gè)系統(tǒng)的性能有著較大的影響。目前嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用的閃存管理軟件在可移植性、靈活性方面都存在不足。因此本文在分析了這些管理軟件現(xiàn)存問題的基礎(chǔ)上提出了一種比較合理的閃存I/O軟件分層結(jié)構(gòu)，并通過對軟件的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)證明了該分層結(jié)構(gòu)在移植性、通用性方面的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞  嵌入式系統(tǒng)  閃存  I/O軟件  策略與機(jī)制分離

1、引言
    隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)復(fù)雜性也在不斷提高。閃存作為廣泛使用的嵌入式存儲設(shè)備，其管理技術(shù)和訪問方式經(jīng)歷了一個(gè)由開發(fā)人員直接控制到由操作系統(tǒng)的I/O軟件間接控制的過程。然而目前現(xiàn)有的這些閃存管理方案都不能提供一種方便、統(tǒng)一且移植性好的I/O軟件接口，增加了嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)周期。因此，本文旨在針對一般的嵌入式應(yīng)用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種更合理的閃存I/O軟件。該軟件遵循策略與機(jī)制分離的原則，采用分層的體系結(jié)構(gòu)，能夠更好得適應(yīng)底層硬件的變化，可大大提高代碼的可移植性。

2、閃存設(shè)備管理技術(shù)的現(xiàn)狀及存在的問題
    閃存設(shè)備不同于一般的非易失性存儲設(shè)備，它有很多特殊的存取特性，其中最主要的是在執(zhí)行寫入操作之前必須先擦除目標(biāo)單元的內(nèi)容[1]。因此，閃存設(shè)備的管理最基本也應(yīng)該包含對讀、寫操作以及擦除操作的控制。

    對于那些用于工控領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)，由于它們沒有配置操作系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分僅由主控程序和一些輔助功能例程構(gòu)成，所以用戶只能通過系統(tǒng)提供的閃存讀寫例程直接對閃存進(jìn)行訪問，同時(shí)擦除操作執(zhí)行的時(shí)機(jī)也需要由用戶自己控制。這樣一來，訪問閃存的應(yīng)用程序就必須了解閃存的物理特性，如尺寸、擦除塊的地址、大小和操作時(shí)間等，從而增加了開發(fā)難度，降低了代碼的可移植性。此外，由于閃存的無結(jié)構(gòu)性，應(yīng)用程序還需要自己管理存儲空間，并按照需要構(gòu)造數(shù)據(jù)的存儲格式[2]。

    而對于那些配置了操作系統(tǒng)的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)（例如嵌入式Linux系統(tǒng)），閃存設(shè)備的管理則主要是通過操作系統(tǒng)中的I/O軟件來實(shí)現(xiàn)。該I/O軟件遵循Linux通用設(shè)備的管理方法[3]，實(shí)現(xiàn)了字符訪問與塊訪問的接口，為應(yīng)用程序訪問閃存提供了一個(gè)通用接口。但問題是，該方案在設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)時(shí)沒有很好地遵循策略與機(jī)制分離的原則，從而使得軟件結(jié)構(gòu)的層次不夠分明，模塊化程度不高。

    另外，在嵌入式Linux系統(tǒng)中還有一種與使用閃存相關(guān)的技術(shù)，即Ramdisk[4]技術(shù)。準(zhǔn)確地說，該技術(shù)不涉及閃存的管理問題，而是一種通過將計(jì)算機(jī)的 RAM 用作設(shè)備來創(chuàng)建和掛裝文件系統(tǒng)的機(jī)制。本文在此提及該技術(shù)的原因是它能夠幫助只含閃存和RAM的嵌入式系統(tǒng)使用文件系統(tǒng)（主要指ext2fs類型），并且該技術(shù)的存在大大降低了嵌入式系統(tǒng)對閃存的訪問操作，從而簡化了系統(tǒng)對閃存的管理。但是，由于Ramdisk技術(shù)不能直接在閃存上使用文件系統(tǒng)，使得修改后的數(shù)據(jù)不能立刻保存到閃存中，所以在系統(tǒng)異常時(shí)容易造成數(shù)據(jù)的丟失。

    經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)上述三種方法在閃存管理方面各有優(yōu)缺點(diǎn)并各有適用范圍。但是隨著JFFS這種閃存專用文件系統(tǒng)的出現(xiàn)和不斷完善以及嵌入式Linux操作系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，越來越多的嵌入式系統(tǒng)開始采用第二種方式管理閃存設(shè)備。該方案在一定程度上簡化了應(yīng)用程序?qū)﹂W存的訪問操作，但由于其不清晰的軟件結(jié)構(gòu)造成了軟件移植性能差的缺點(diǎn)。

3、閃存設(shè)備I/O軟件的分層結(jié)構(gòu)
    為了解決上述第二種閃存管理軟件存在的問題，我們在遵循策略與機(jī)制分離原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種更合理的閃存I/O軟件體系結(jié)構(gòu)。具體內(nèi)容如下（圖1）：

圖1 閃存I/O軟件體系結(jié)構(gòu)

    我們設(shè)計(jì)的閃存I/O軟件自下而上被劃分為四個(gè)層次，分別為硬件驅(qū)動層、原始設(shè)備層、設(shè)備層以及設(shè)備節(jié)點(diǎn)。其中硬件驅(qū)動層代碼主要負(fù)責(zé)在系統(tǒng)啟動時(shí)驅(qū)動閃存硬件。從抽象層次上看，它是通過使用底層的硬件機(jī)制，建立了若干基本的使用閃存硬件的策略代碼。具體過程由芯片探測模塊和操作方法模塊來實(shí)現(xiàn)的。其中芯片探測模塊主要負(fù)責(zé)探測CFI接口閃存芯片的器件參數(shù)信息[5]，包括芯片大小、芯片編程電壓、編程時(shí)間、擦除時(shí)間、擦除區(qū)域分布情況等，并利用這些信息創(chuàng)建出描述芯片物理特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而操作方法模塊則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)最基本的閃存讀、寫及擦除例程。該模塊在芯片探測模塊的基礎(chǔ)上，利用硬件的物理信息就能夠?qū)崿F(xiàn)特定閃存芯片的管理和訪問方法。

    接下來原始設(shè)備層代碼就把閃存存儲區(qū)從軟件上劃分為幾個(gè)不同的區(qū)域，并用設(shè)備的概念對各分區(qū)進(jìn)行軟件上的封裝，使每個(gè)分區(qū)設(shè)備都擁有包含自身信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及設(shè)備操作例程。這樣設(shè)計(jì)的原因，一方面是為了模擬硬盤的物理分區(qū)，方便系統(tǒng)對閃存的管理和使用；另一方面又為上層軟件以字符方式和塊方式訪問閃存提供了基礎(chǔ)。具體過程需要通過原始設(shè)備實(shí)現(xiàn)模塊、設(shè)備分區(qū)實(shí)現(xiàn)模塊來實(shí)現(xiàn)，而閃存配置管理模塊則為開發(fā)人員根據(jù)自身需要任意劃分閃存分區(qū)提供了配置接口，提高了系統(tǒng)的靈活性。需要說明的是這三個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)具有一定的依賴關(guān)系，其中箭頭的起始端模塊要依賴于該箭頭指向的模塊。

     接著閃存設(shè)備層代碼在低層軟件分區(qū)的基礎(chǔ)上，用字符設(shè)備和塊設(shè)備兩種方式來使用閃存原始設(shè)備。具體說，該層主要實(shí)現(xiàn)字符設(shè)備與塊設(shè)備的通用接口例程，即文件操作的通用方法，如打開、關(guān)閉、定位、讀、寫等。

    最后，閃存設(shè)備節(jié)點(diǎn)層是為了方便應(yīng)用程序以文件形式訪問閃存設(shè)備而創(chuàng)建的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。它的實(shí)現(xiàn)并不需要軟件代碼。

4、閃存設(shè)備I/O軟件的實(shí)現(xiàn)
    嵌入式開發(fā)一般都采用主機(jī)與目標(biāo)板相結(jié)合的交叉開發(fā)方式。因此我們的目標(biāo)板采用的是Motorola公司基于PowerPC860T處理器的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備開發(fā)板（以下簡稱為NE860）。NE860板上配備有4M NOR型閃存和16M RAM作為存儲器，其中閃存采用的是兩片Intel TE28F160B3T的芯片。主機(jī)是一臺運(yùn)行Redhat 7.2 的PC機(jī)，該主機(jī)上還安裝有Montavista 嵌入式Linux（以下簡稱MVL）作為實(shí)現(xiàn)閃存I/O軟件的載體。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

    (1) 硬件驅(qū)動層
    由于NOR型閃存芯片的接口不同與一般基于端口的外部設(shè)備，不能夠被清晰地劃分為幾個(gè)不同用途的端口寄存器；該接口只包括了幾條控制信號線，一組數(shù)據(jù)線和一組地址線。這樣一來，閃存的數(shù)據(jù)讀寫操作以及命令寫入和狀態(tài)查詢操作都需要在同一組數(shù)據(jù)線上進(jìn)行。同時(shí)由于完備的地址線能夠讓系統(tǒng)對芯片內(nèi)的每個(gè)字節(jié)進(jìn)行尋址，于是閃存的擦除、寫入等基本操作就可以通過向特定地址寫入特定命令序列[6]的方式來實(shí)現(xiàn)的。因此我們的系統(tǒng)在遵循各種操作的特定指令序列[6]基礎(chǔ)上，結(jié)合特定芯片的物理信息（保存在專用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct cfi_private中）實(shí)現(xiàn)了閃存的讀、寫、擦除和同步操作。

    （2）原始設(shè)備層
原始設(shè)備層的主要功能是在硬件基礎(chǔ)上把閃存芯片抽象為設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，系統(tǒng)首先要把所有的閃存芯片抽象為一個(gè)閃存主原始設(shè)備，然后再根據(jù)用戶的分區(qū)劃分要求（通過管理配置模塊獲得）把主原始設(shè)備從軟件上劃分為多個(gè)分區(qū)設(shè)備。這樣一來，分區(qū)設(shè)備的大部分參數(shù)信息實(shí)際上都來自于主原始設(shè)備，并且分區(qū)設(shè)備的操作函數(shù)也都來自于主原始設(shè)備的操作函數(shù)。而這些操作的實(shí)現(xiàn)是通過調(diào)用底層的基本操作完成的。

        （3）設(shè)備層
    閃存設(shè)備層主要用來實(shí)現(xiàn)字符設(shè)備與塊設(shè)備的通用接口例程，其中字符設(shè)備的各種操作都比較容易實(shí)現(xiàn)。這里我們著重介紹一下塊設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。在Linux中，由于塊設(shè)備的讀寫請求都是基于扇區(qū)（512字節(jié)）的，而閃存設(shè)備卻不存在物理上的扇區(qū)結(jié)構(gòu)，只有擦出塊的概念。況且在通常情況下擦除塊的尺寸都小于512字節(jié)，這樣一來就存在一個(gè)如何把基于扇區(qū)的讀寫操作映射到適當(dāng)?shù)牟脸龎K上的問題。由于塊設(shè)備主要是為了支持在閃存上創(chuàng)建文件系統(tǒng)，所以該問題的解決我們就借用了JFFS文件系統(tǒng)中有關(guān)的設(shè)計(jì)思想（由于篇幅所限這里不詳述）。

5、系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析
    為了驗(yàn)證該閃存I/O軟件的可移植性和正確性，我們做如下的分析和測試。第一：通過統(tǒng)計(jì)閃存I/O軟件中設(shè)備相關(guān)代碼及設(shè)備無關(guān)代碼的比例，說明該實(shí)現(xiàn)方案的可移植性；第二：通過對閃存I/O軟件子系統(tǒng)一些典型性能指標(biāo)的測試，說明該I/O軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

    （1）閃存I/O軟件可移植性的驗(yàn)證：
    從理論上講，只有硬件設(shè)備驅(qū)動層的一部分代碼是與設(shè)備相關(guān)的，而原始設(shè)備層和設(shè)備層代碼都是設(shè)備無關(guān)的。于是，我們得出如下（表1）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在新的I/O軟件實(shí)現(xiàn)方案下，閃存設(shè)備相關(guān)代碼為35KB，占總代碼量的24.1%；設(shè)備無關(guān)代碼為110KB，占總代碼量的75.9%。由此可見，我們的實(shí)現(xiàn)方案具有很好的移植性，能夠有效地提高嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)速度和質(zhì)量。
 

表1 閃存I/O軟件各部分代碼尺寸
 
    （2）閃存I/O軟件有效性的驗(yàn)證：
    I/O軟件的一個(gè)重要性能指標(biāo)是設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐率。當(dāng)應(yīng)用程序訪問閃存設(shè)備文件時(shí)，由于每次讀/寫請求的數(shù)據(jù)長度不同，使得設(shè)備的瞬時(shí)吞吐率也不同。由于我們的I/O系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閃存設(shè)備的兩種管理方式：字符設(shè)備和塊設(shè)備，因此下面我們首先針對字符設(shè)備方式測試它的讀/寫吞吐率（見圖2和圖3）。
 
圖2 字符設(shè)備讀吞吐率

 圖3 字符設(shè)備寫吞吐率

    通過分析圖2、圖3的數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)從閃存設(shè)備中讀取或?qū)懭胄K數(shù)據(jù)時(shí)，吞吐率會隨著請求數(shù)據(jù)長度的增加而增大；但是當(dāng)請求數(shù)據(jù)長度超過某一臨界值時(shí)，讀/寫吞吐率近似都穩(wěn)定在一個(gè)固定值上。

    為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述規(guī)律，我們又按照33%的寫請求和67%的讀請求比例，對各種請求數(shù)據(jù)長度進(jìn)行了10次讀/寫混合操作測試，其結(jié)果如圖4所示。由此可看出，在請求數(shù)據(jù)長度大于512KB之后，讀寫混合的數(shù)據(jù)吞吐率穩(wěn)定在3.59MB/S上，這一結(jié)果與圖2和圖3所示結(jié)果完全一致。并且該吞吐率變化規(guī)律符合常見嵌入式應(yīng)用中閃存的讀、寫特性，其指標(biāo)也基本上能夠達(dá)到應(yīng)用需求。
 
圖4 字符設(shè)備讀寫平均吞吐率

    對于塊設(shè)備方式，我們主要測試基于閃存文件系統(tǒng)的一些典型文件操作性能。其結(jié)果如表2所示。該表的第一列代表了執(zhí)行的文件操作，其中create和wirte代表創(chuàng)建文件并向該文件寫入X個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的操作；open和read則代表打開文件并從該文件讀出X個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的操作。X的大小按照表中第一行數(shù)值的變化而變化。測試數(shù)據(jù)表明閃存I/O軟件塊設(shè)備功能是正確和有效的。

表2 典型文件操作時(shí)間代價(jià)

6、結(jié)束語
     本文在分析了嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)有的各種閃存管理技術(shù)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種分層合理、模塊劃分清晰且移植性好的閃存I/O軟件。系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)表明，該I/O軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對閃存設(shè)備的基本管理和訪問，可以滿足一般嵌入式系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲器的應(yīng)用需要。另一方面，由于硬件平臺的資源所限，我們只實(shí)現(xiàn)了對NOR型閃存的管理；隨著性能更優(yōu)的NAND型閃存的廣泛使用，我們下一步的工作就是要將上述軟件代碼移植到NAND型閃存器件上，進(jìn)一步檢驗(yàn)該軟件的性能。

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