uClinux系統(tǒng)平臺下的Flash存儲技術(shù)

 在過去的二十年里，ROM和EPROM一直是嵌入式系統(tǒng)的存儲設(shè)備的首選。但是，今天越來越多的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者采用Flash這種可讀寫的存儲設(shè)備進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。

Flash存儲技術(shù)

在過去的二十年里，ROM和EPROM一直是嵌入式系統(tǒng)的存儲設(shè)備的首選。但是，今天越來越多的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者采用Flash這種可讀寫的存儲設(shè)備進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。

Flash主要分為NOR和NAND兩類。NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR Flash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND Flash結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。

NOR的特點是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)，這樣應(yīng)用程序可以直接在Flash閃存中運行，而不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。但應(yīng)用NAND的困難在于Flash的管理需要特殊的系統(tǒng)接口。

但是歷經(jīng)十多年之后，仍然有相當(dāng)多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。因為大多數(shù)情況下閃存只是用來存儲少量的代碼，這時NOR閃存更適合一些。“Flash存儲器”便經(jīng)常與“NOR存儲器”互換使用。但NAND則是高數(shù)據(jù)存儲密度的理想解決方案。

下面對二者作較為詳細(xì)的比較：

性能比較

Flash閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何Flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。

由于擦除NOR器件時是以64～128KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。

執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計表明，對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時)，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。這樣，當(dāng)選擇存儲解決方案時，設(shè)計師必須權(quán)衡以下的各項因素。

● NOR的讀速度比NAND稍快一些。

● NAND的寫入速度比NOR快很多。

● NAND的4ms擦除速度遠(yuǎn)比NOR的5s快。

● 大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。

● NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。

接口差別

NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的

每一個字節(jié)。

NAND器件使用復(fù)雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。

NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點有點像硬盤管理此類操作，很自然地，基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設(shè)備。

容量和成本

NAND Flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應(yīng)地降低了價格。

NOR Flash占據(jù)了容量為1～16MB閃存市場的大部分，而NAND Flash只是用在8～128MB的產(chǎn)品當(dāng)中，這也說明NOR主要應(yīng)用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND適合于數(shù)據(jù)存儲，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。

可靠性和耐用性

采用Flash介質(zhì)時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴(kuò)展MTBF的系統(tǒng)來說，F(xiàn)lash是非常合適的存儲方案。可以從壽命(耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。

壽命(耐用性)

在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND存儲器塊在給定的時間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。

位交換

所有Flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下(很少見，NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多)，一個比特位會發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報告反轉(zhuǎn)了。

一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個關(guān)鍵文件上，這個小小的故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。如果只是報告有問題，多讀幾次就可能解決了。

當(dāng)然，如果這個位真的改變了，就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND閃存，NAND的供應(yīng)商建議使用NAND閃存的時候，同時使用EDC/ECC算法。這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當(dāng)然，如果用本地存儲設(shè)備來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確保可靠性。

壞塊處理

NAND器件中的壞塊是隨機(jī)分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價太高，根本不劃算。NAND器件需要對介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進(jìn)行這項處理，將導(dǎo)致高故障率。

易用性

可以非常直接地使用基于NOR的閃存，可以像其他存儲器那樣連接，并可以在上面直接運行代碼。

由于需要I/O接口，NAND要復(fù)雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND器件時，必須先寫入驅(qū)動程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當(dāng)?shù)募记桑驗樵O(shè)計師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進(jìn)行虛擬映射。

軟件支持

當(dāng)討論軟件支持的時候，應(yīng)該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優(yōu)化。

在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時，通常需要驅(qū)動程序，也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動程序(MTD)，NAND和NOR器件在進(jìn)行寫入和擦除操作時都需要MTD。

使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些，許多廠商都提供用于NOR器件的更高級的軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動，該驅(qū)動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。驅(qū)動還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進(jìn)行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。[!--empirenews.page--]

目前，全世界的NOR Flash生產(chǎn)商主要有：Intel、AMD、Fujitsu和Toshiba，NOR Flash存儲芯片的容量從幾K到64M不等，未來數(shù)年里作為標(biāo)準(zhǔn)存儲設(shè)備NOR Flash很有可能取代ROM。NAND Flash 的生產(chǎn)廠商包括Samsung和Toshiba，同時二者也是M-System公司的“DiskOnChip”上Flash的供應(yīng)商。NAND Flash存儲芯片的容量從8M到128M，而DiskonChip可以達(dá)到1024M的容量。

對于小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，尤其是uClinux系統(tǒng)設(shè)計時，NOR Flash更多的被采用。所以下面的介紹將更多集中在NOR Flash上。

系統(tǒng)設(shè)計

一般來說，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中RAM和Flash的選擇是由設(shè)計者來權(quán)衡的，而價格往往是主要的決定因素。Flash在每M字節(jié)的存儲開銷上較RAM要昂貴，對于uClinux系統(tǒng)來說選擇Flash作為存儲器具有一定的優(yōu)勢，uClinux系統(tǒng)在上電后需要運行的程序代碼和數(shù)據(jù)都可以存儲在Flash中，甚至于放在CPU起始地址中的uClinux的啟動內(nèi)核都可以寫入Flash中。所以從一定意義上講，嵌入式系統(tǒng)只用Flash就可以完成所需的存儲功能。

Flash存儲器的分區(qū)較硬盤的分區(qū)更為簡單，分區(qū)后的Flash使用起來更加方便。典型的Flash分區(qū)如下

SEGMENT PURPOSE

0 Bootloader

1 foctory configuration

2

. kernel

X

. root filesystem

Y

分區(qū)0放置Bootloader，分區(qū)1放置factory configuration,分區(qū)2到分區(qū)X放置系統(tǒng)內(nèi)核，分區(qū)X到分區(qū)Y放置根文件系統(tǒng)。Flash的分區(qū)可以根據(jù)需要劃分，uClinx中支持Flash存儲器的塊設(shè)備驅(qū)動負(fù)責(zé)定義上述的分區(qū)。

和PC機(jī)下的Linux不同，F(xiàn)lash的分區(qū)把系統(tǒng)的內(nèi)核文件和根文件系統(tǒng)單獨劃分到兩個分區(qū)中，而PC機(jī)的硬盤是把內(nèi)核文件和根文件放在一個分區(qū)內(nèi)。PC機(jī)下的Linux的Bootloader是LILO或GRUB,它們在系統(tǒng)啟動時能智能地在分區(qū)中找到內(nèi)核文件塊并把它加載到RAM中運行。對于Flash而言，把內(nèi)核的鏡像文件寫進(jìn)一個單獨的分區(qū)對嵌入式系統(tǒng)有兩大優(yōu)點：1)系統(tǒng)可以直接在Flash上運行2)對于LILO或GRUB更易找到內(nèi)核代碼加載，甚至可以不用LILO或者GRUB引導(dǎo)而知直接運行。

內(nèi)核文件和根文件系統(tǒng)在Flash中的放置可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要適當(dāng)選擇，選擇見下表。

表1

引導(dǎo)程序選擇(Bootloader Selection)

系統(tǒng)啟動之前的引導(dǎo)過程是CPU初始化的過程。包括ARM和X86在內(nèi)的許多CPU是從固定的地址單元開始運行引導(dǎo)程序的。其它的部分CPU而是從某個地址單元讀入引導(dǎo)程序的入口地址，然后再運行引導(dǎo)程序，譬如M68K和COLDFIRE系列。所以這些都影響到Flash中的系統(tǒng)啟動代碼的存放地址。

首先系統(tǒng)要考慮的是系統(tǒng)在什么地址存放Bootloader，或者說系統(tǒng)從哪個地址單元開始加載運行系統(tǒng)內(nèi)核代碼。

CPU啟動后直接運行系統(tǒng)內(nèi)核是可以實現(xiàn)的。對于uClinux來說啟動代碼必須包括芯片的初始化和RAM的初始化等硬件的配置，同時加載內(nèi)核的代碼段到RAM中并清除初始化的數(shù)據(jù)段內(nèi)容。盡管這些實現(xiàn)起來很直觀，但是具體要把啟動代碼存放在Flash中正確的地址偏移單元內(nèi)使CPU在一啟動就能執(zhí)行就比較困難了。不過現(xiàn)在技術(shù)比較先進(jìn)的CPU都將默認(rèn)的偏移地址設(shè)置為0或者在偏移地址為0的附近存放起始地址。[!--empirenews.page--]

Bootloader使一段單獨的代碼，它用以負(fù)責(zé)基本硬件的初始化過程，并且加載和運行uClinux的內(nèi)核代碼。作為系統(tǒng)啟動工具，Bootloader經(jīng)過配置以后可以加載Flash中多內(nèi)核，甚至可以通過串口和網(wǎng)口來加載內(nèi)核和系統(tǒng)的鏡像到RAM中運行。Bootloader同時也提供對內(nèi)核鏡像文件的多級別保護(hù)，這一點對于以Flash作為存儲設(shè)備的系統(tǒng)來說尤為重要。譬如，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)核升級和重要數(shù)據(jù)備份時候，系統(tǒng)突然掉電，正如PC機(jī)進(jìn)行BIOS刷寫過程中的掉電一樣，都是災(zāi)難性的。但是利用Bootloader就可以實現(xiàn)保護(hù)性的恢復(fù)。

目前運行在uClinux上的免費Bootloader有COLILO、MRB、PPCBOOT和DBUG。也有為特殊需求設(shè)計的SNAP GEAR和ARCTURUS NETWORKS。

uClinux的塊驅(qū)動器(Block Driver)

對于嵌入式系統(tǒng)的塊設(shè)備可選擇存儲文件系統(tǒng)的塊驅(qū)動器主要有三種選擇。

1)Blkmem driver。Blkmem driver仍是uClinux上使用最普遍的Flash驅(qū)動器，它是為uClinux而設(shè)計的，但是相對的它的結(jié)構(gòu)比較簡單并且僅支持NOR Flash的操作，需要在RAM中建立根文件系統(tǒng)。同時它也很難配置，需要代碼修改表來建立Flash分區(qū)。盡管如此，它還是提供了最基本的分區(qū)擦/寫操作。

2)MTD driver。MTD driver是Linux下標(biāo)準(zhǔn)的Flash驅(qū)動器。它支持大多數(shù)Flash存儲設(shè)備，兼有功能強(qiáng)大的分區(qū)定義和映象工具。借用交叉存取技術(shù)(interleaving)，MTD driver甚至可支持同一系統(tǒng)中不同類型的Flash，Linux內(nèi)核中關(guān)于MTD driver配置有較為詳細(xì)的選項。

3)RAM disk driver。在無盤啟動的標(biāo)準(zhǔn)Linux中用的最多的就實RAM disk driver，但它不支持底層的Flash存儲器，僅對根文件系統(tǒng)的建立有意義，即壓縮的根文件系統(tǒng)壓縮以后存放在Flash的什么地方。

通過上面的比較可以看到，MTD driver提供對Flash最有力的支持，同時它也支持從Flash上直接運行文件系統(tǒng)，譬如JFFS和JFFS2，而Blkmem driver則不能夠支持。

根文件系統(tǒng)(Root Filesystem)

uClinux中的文件系統(tǒng)可以有很多種選擇。通常情況下ROMfs是使用最多的文件系統(tǒng)，它是一種簡單、緊湊和只讀的文件系統(tǒng)。ROMfs順序存儲文件數(shù)據(jù)，并可以在uClinux支持地存儲設(shè)備上直接運行文件系統(tǒng),這樣可以在系統(tǒng)運行時節(jié)省許多RAM空間。

Cramfs是針對Llinux內(nèi)核2.4之后的版本所設(shè)計的一種新型文件系統(tǒng)，它也是壓縮和只讀格式的。它主要的優(yōu)點是將文件數(shù)據(jù)以壓縮形式存儲，在需要運行的時候進(jìn)行解壓縮。由于它存儲的文件形式是壓縮的格式，所以文件系統(tǒng)不能直接在Flash上運行。雖然這樣可以節(jié)約很多Flash存儲空間，但是文件系統(tǒng)運行需要將大量的數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)RAM中，消耗了RAM空間。

考慮到有多數(shù)系統(tǒng)需要讀/寫的文件系統(tǒng)，可以使用MTD driver的諸如JFFS和JFFS2日志式文件格式在Flash頭部建立根文件系統(tǒng)。日志式文件系統(tǒng)可以免受系統(tǒng)突然掉電的危險，并且在下一次系統(tǒng)引導(dǎo)時不需要文件系統(tǒng)的檢查。由于JFFS和JFFS2文件格式是特別為Flash存儲器設(shè)計的，二者都具有一種稱為“損耗平衡”的特點，也就是說Flash的所有被擦寫的單元都保持相同的擦寫次數(shù)。利用這種特有的保護(hù)措施，F(xiàn)lash的使用周期得到相當(dāng)大的提升。JFFS2使用了壓縮的文件格式，為Flash節(jié)省了大量的存儲空間，它更優(yōu)于JFFS格式在系統(tǒng)中使用。值得注意的是，使用JFFS2格式可能帶來少量的Flash空間的浪費，這主要是由于日志文件的過度開銷和用于回收系統(tǒng)的無用存儲單元，浪費的空間大小大致是兩個數(shù)據(jù)段。

如果使用RAM disk，一般應(yīng)選擇EXT2文件格式。但EXT2并不是一種特別高效的文件存儲空間。由于存在在RAM disk上，所以任何改變在下一次啟動后都會丟失。當(dāng)然，也有許多人認(rèn)為對于嵌入式存儲空間來講，這是一種優(yōu)勢，因為每次系統(tǒng)啟動都是從已知的文件系統(tǒng)狀態(tài)開始的。

雖然在Linux下有許多的文件格式可供選擇，但是對于uClinux一般只選擇上述的幾種文件格式。另外一點就是如何在目標(biāo)系統(tǒng)上建立根文件系統(tǒng)。大致步驟如下：

首先在開發(fā)宿主機(jī)上建立一個目標(biāo)機(jī)的根文件系統(tǒng)的目錄樹，然后利用嵌入式根文件系統(tǒng)生成工具在宿主機(jī)上生成目錄樹的二進(jìn)制文件鏡像，最后下載到目標(biāo)機(jī)上就可以了。對于不同的文件格式有不同的二進(jìn)制鏡像生成工具，譬如JFFS的mkfs.jffs2、ISO9660的mkisofs。

Flash工具及實例

uClinux下的Flash的操作工具有很多種，它們都是為底層的塊設(shè)備而設(shè)計使用的。

當(dāng)使用MTD driver時，主要的工具有：erase(數(shù)據(jù)段擦除工具)、eraseall(擦除Flash)、lock(寫保護(hù))、unlock(打開寫保護(hù))、mkfs.jffs(從目錄結(jié)構(gòu)生成JFFS格式文件工具)和mkfs.jffs2(JFFS2格式生成工具)。由于MTD driver提供字符和塊設(shè)備支持，所以在目標(biāo)機(jī)上可以使用諸如dd命令來寫Flash。

實際設(shè)計實例：

系統(tǒng)硬件配置：S3C4510B,2M Flash,4M SDRAM。內(nèi)核：uClinux2.4.x，使用MTD driver支持Flash存儲。文件系統(tǒng)格式選擇ROMfs。在Flash存儲器的地址底部存在一系列的大小不等的可擦除的地址空間，它們的大小分別是16K、8K、8K和32K，總計大小為64K ，我們選擇Flash的“bottom boot”。

Flash 分區(qū)如下

● SEGMENT SIZE MTD-DEVICE DESCRIPTION

0 16K mtd0 boot loader

1 8K mtd1 內(nèi)核引導(dǎo)參數(shù)

2 8K mtd2 出廠設(shè)置信息

3 32K mtd3 空閑

4 64K mtd4 固化設(shè)置

5

. 1984K mtd5 內(nèi)核+根文件系統(tǒng) .

35

0-35 2048K mtd6 all of Flash memory

在Flash分區(qū)的過程中,盡量使用Flash的頂部和底部。不同的MTD分區(qū)可以部分重疊,但是在操作時要特別注意。

系統(tǒng)內(nèi)核是壓縮存儲的,Bootloader在初始化SDRAM后就解壓內(nèi)核到SDRAM中運行。根文件系統(tǒng)存儲在壓縮的內(nèi)核鏡像文件之后的，它可以直接在Flash上運行,移除內(nèi)核壓縮鏡像后，典型的根文件系統(tǒng)的大小約有1.5M左右。

內(nèi)核文件和根文件系統(tǒng)合并在一個鏡像文件中有一個最大的好處就是當(dāng)二者需要升級的時候,只需要重新編譯MTD4上的配置文件即可。

在所有配置中關(guān)鍵是MTD驅(qū)動器映射的建立, uClinux-2.4.x/drivers/mtd/maps下的nettle-uc.c是文件系統(tǒng)建立的源程序，其主要是解釋了分區(qū)映射的內(nèi)容和在MTD4上如何配置根文件系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]

通過引導(dǎo)日志可以分析引導(dǎo)過程，譬如引導(dǎo)過程的日志如下：

SnapGear Flash probe(0xf0000000,2097152,2): 200000 at f0000000

CFI: Found no Flash device at location zero

Found: Toshiba TC58FVB160

number of JEDEC chips: 1

Creating 7 MTD partitions on "Flash":

0x00000000-0x00004000 : "Bootloader"

0x00004000-0x00006000 : "Bootargs"

0x00006000-0x00008000 : "MAC"

0x00010000-0x00020000 : "Config"

0x00008000-0x00010000 : "Spare"

0x00020000-0x00200000 : "Image"

0x00000000-0x00200000 : "Flash"

從上面的日志可以看到，MTD drivers發(fā)現(xiàn)了Toshiba Flash，并按先前的要求把它分為指定的幾個分區(qū)，F(xiàn)lash被映射到CPU地址單元的0xf0000000開始。當(dāng)然，MTD driver提供更為復(fù)雜的配置設(shè)置，通過對位于內(nèi)核配置內(nèi)的MTD drivers的配置，可以得到更為詳細(xì)的關(guān)于Flash device的日志報告。

使用netFlash工具來刷新系統(tǒng)的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。命令行僅是： netFlash imagez.bin ，將鏡像文件放在Tftp 服務(wù)器上，netFlash從指定地址的Tftp服務(wù)器上下載并完成燒錄工作，重新啟動目標(biāo)板就可以讓uClinux跑起來了。