英創(chuàng)信息技術(shù)Windows CE5.0文件系統(tǒng)分析

由于工控設(shè)備漸進(jìn)變化的基本特征，Windows CE5.0仍然被大量的應(yīng)用在當(dāng)前的嵌入式主板中。英創(chuàng)公司的EM9160、EM9360等型號(hào)的工控主板也都繼續(xù)預(yù)裝CE5.0操作系統(tǒng)。由于CE5.0文件系統(tǒng)是基于微軟的Windows95/98內(nèi)核的FAT文件系統(tǒng)，當(dāng)基于FAT的CE5.0文件系統(tǒng)應(yīng)用到NAND Flash器件上時(shí)，NandFlash的以扇區(qū)為單元的讀寫方式、以及塊為單元的擦除方式，有可能讓CE5.0文件系統(tǒng)產(chǎn)生很大的NandFlash存儲(chǔ)單元整理工作量。大規(guī)模的NandFlash整理將消耗很大一部分CPU時(shí)間，如果此時(shí)應(yīng)用程序又有很重的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的任務(wù)，在非常極端情況下，有可能導(dǎo)致CE5.0文件系統(tǒng)的FAT表?yè)p壞。本文則是針對(duì)這種情況，提出兩種解決方法。

目前我們通常使用的NandFlash的邏輯結(jié)構(gòu)有兩種，一種是扇區(qū)（Sector）大小為512字節(jié)，一個(gè)塊（Block）包括32個(gè)扇區(qū)，被稱為小扇區(qū)結(jié)構(gòu)；另一種是扇區(qū)大小為2048字節(jié)（即2KB），一個(gè)塊包括64個(gè)扇區(qū)，這種結(jié)構(gòu)的NandFlash通常稱為大扇區(qū)。可以容易算出，文件系統(tǒng)對(duì)NandFlash的整理，大扇區(qū)的工作量是小扇區(qū)的8倍。因此在同樣的運(yùn)行條件下，大扇區(qū)結(jié)構(gòu)的NandFlash對(duì)文件系統(tǒng)的負(fù)載就高得多。為了確定CE5.0文件系統(tǒng)的這個(gè)潛在問(wèn)題，我們選用了EM9160的精簡(jiǎn)版，其基本配置為16-bit數(shù)據(jù)寬度 32MB內(nèi)存+128MB大扇區(qū)NandFlash作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用16-bit數(shù)據(jù)寬度是讓CPU的處理能力至少降低一倍，而128MB大扇區(qū)NandFlash為文件系統(tǒng)只提供了768個(gè)Block，從而更容易觸發(fā)文件系統(tǒng)的后臺(tái)整理進(jìn)程。

我們的基本測(cè)試程序（即應(yīng)用程序）是以低效率的小文件（一個(gè)文件大小不超過(guò)512字節(jié)，試驗(yàn)文件大小為180字節(jié)）為單位，256個(gè)小文件存放在一個(gè)目錄中，總共256個(gè)目錄循環(huán)寫。同時(shí)在測(cè)試程序中啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)線程，定時(shí)時(shí)間為5s – 100s之間的隨機(jī)數(shù)，定時(shí)到時(shí)該線程強(qiáng)制重啟系統(tǒng)，這樣對(duì)文件系統(tǒng)施加一個(gè)隨機(jī)重啟的沖擊。為了觀察CPU的基本工作情況，測(cè)試程序主線程每2s從調(diào)試串口輸出CPU負(fù)載率等系統(tǒng)信息?；镜脑囼?yàn)情況如下：

1、CPU常規(guī)負(fù)載率在65%水平，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行NandFlash整理時(shí)，負(fù)載率會(huì)上升至95%的水平，且最長(zhǎng)時(shí)間會(huì)持續(xù)近10s。

2、經(jīng)過(guò)連續(xù)24小時(shí)試驗(yàn)，大約有3%的主板的FAT表會(huì)損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)失敗。

在測(cè)試程序中采用的文件寫方式是最直接的流程：

// CreateFile -> WriteFile -> CloseHandle

當(dāng)所寫的文件已經(jīng)存在于NandFlash時(shí)，CE5.0的TFAT文件系統(tǒng)會(huì)以某種方式保留原文件，這樣若在寫文件過(guò)程中遇到系統(tǒng)重啟，重啟后系統(tǒng)還能恢復(fù)原來(lái)的文件。但這樣做的代價(jià)是CE5.0文件系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)后臺(tái)線程并行來(lái)處理這些老文件。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)分析，我們相信正是這種類似的并行操作NandFlash的機(jī)制，可能存在某種缺陷，導(dǎo)致在極端情況下FAT的損壞。

根據(jù)上面的分析，我們的第一種處理方法，就是在應(yīng)用程序中增加刪除同名文件，再進(jìn)行常規(guī)文件寫流程，即：

// 第一種方法：

// DeleteFile -> CreateFile -> WriteFile -> CloseHandle

就可把原來(lái)需要后臺(tái)并行處理的任務(wù)變成了應(yīng)用程序線程順序執(zhí)行，從而大幅度減少多個(gè)線程并行操作NandFlash的情況。修改后的試驗(yàn)表明，F(xiàn)AT損壞率至少降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在目前的試驗(yàn)規(guī)模上已完全不能檢測(cè)到FAT損壞的情況。

第一種方法是通過(guò)應(yīng)用程序調(diào)整，來(lái)降低NandFlash操作的并行度，從而避免觸發(fā)CE5.0文件的缺陷顯現(xiàn)。但第一種方法還不能完全消除對(duì)NandFlash的并行操作，因?yàn)楹笈_(tái)的整理總是存在的。由此產(chǎn)生第二種方法，就是通過(guò)監(jiān)視CPU負(fù)載率，一旦CPU負(fù)載超過(guò)某個(gè)閾值，應(yīng)用線程就暫停文件寫操作，這樣就能主動(dòng)避免應(yīng)用程序與后臺(tái)并行操作NandFlash。其基本流程變成：

// 第二種方法：
bRet = g_pNandMonitor->EnterNandAccess(dwTimeout)； // 獲取NAND訪問(wèn)權(quán)
// 若bRet = TRUE，進(jìn)入正常NAND操作：
// DeleteFile -> CreateFile -> WriteFile -> CloseHandle
g_pNandMonitor->LeaveNandAccess()； // 歸還NAND訪問(wèn)權(quán)

在上述流程中，使用了我們構(gòu)造的一個(gè)CPU負(fù)載率監(jiān)控類NandFlashMonitor，當(dāng)CPU負(fù)載率超過(guò)指定閾值時(shí)，應(yīng)用線程調(diào)用EnterNandAccess函數(shù)，將導(dǎo)致應(yīng)用線程阻塞（掛起）直至超時(shí)或CPU負(fù)載率低于指定閾值。采用CPU負(fù)載率監(jiān)測(cè)手段后，可以看到在后臺(tái)整理時(shí)段，CPU負(fù)載率從原來(lái)的95%的水平下降到85%的水平，說(shuō)明在這個(gè)時(shí)段的應(yīng)用程序的NandFlash確實(shí)是停掉了，同時(shí)也說(shuō)明在這個(gè)時(shí)段分配給應(yīng)用程序的資源實(shí)際是很少的，所以寫文件的效率是很低的。采用延時(shí)寫的方法，是不會(huì)對(duì)總體性能影響的。需要檢測(cè)類NandFlashMonitor代碼的客戶，可郵件向英創(chuàng)技術(shù)支持索取。

總之，通過(guò)試驗(yàn)表明，CE5.0的TFAT文件系統(tǒng)對(duì)NandFlash管理策略上確實(shí)存在某種缺陷，在大扇區(qū)NandFlash及頻繁文件操作的應(yīng)用中，這種缺陷就可能對(duì)設(shè)備產(chǎn)生威脅。但我們也可以有充分的手段徹底規(guī)避這樣的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)又不降低系統(tǒng)的整體性能。