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)進行，所以大多數(shù)情況下，在進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則要求在進行擦除前先要將目標塊內(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的單元中進行。這樣，當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擦除速度遠比NOR的5s快。

● 大多數(shù)寫入操作需要先進行擦除操作。

● 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致系統(tǒng)停機。如果只是報告有問題，多讀幾次就可能解決了。

當然，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?？煽啃浴?/p>

壞塊處理

NAND器件中的壞塊是隨機分布的。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)進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進行這項處理，將導致高故障率。

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?shù)募记?，因為設(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行虛擬映射。

軟件支持

當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)年里作為標準存儲設(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)動負責定義上述的分區(qū)。

和PC機下的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)計需要適當選擇，選擇見下表。

表1

引導程序選擇(Bootloader Selection)

系統(tǒng)啟動之前的引導過程是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程序的。其它的部分CPU而是從某個地址單元讀入引導程序的入口地址，然后再運行引導程序，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)比較先進的CPU都將默認的偏移地址設(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，它用以負責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，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，當系統(tǒng)進行內(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機進行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)保護性的恢復。

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下標準的Flash驅(qū)動器。它支持大多數(shù)Flash存儲設(shè)備，兼有功能強大的分區(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配置有較為詳細的選項。

3)RAM disk driver。在無盤啟動的標準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措施，F(xiàn)lash的使用周期得到相當大的提升。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。當然，也有許多人認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)宿主機上建立一個目標機的根文件系統(tǒng)的目錄樹，然后利用嵌入式根文件系統(tǒng)生成工具在宿主機上生成目錄樹的二進制文件鏡像，最后下載到目標機上就可以了。對于不同的文件格式有不同的二進制鏡像生成工具，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)、unlock(打開寫保護)、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，所以在目標機上可以使用諸如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--]

通過引導日志可以分析引導過程，譬如引導過程的日志如下：

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。當然，MTD driver提供更為復雜的配置設(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，重新啟動目標板就可以讓uClinux跑起來了。