基于FLASH的嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

FLASH（閃速存儲(chǔ)器）作為一種安全、快速的存儲(chǔ)體，具有體積小、容量大、成本低、掉電數(shù)據(jù)不丟失等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和程序最主要的載體。由于FLASH在結(jié)構(gòu)和操作方式上與硬盤、E2ROM等其他存儲(chǔ)介質(zhì)有較大區(qū)別，使用FLASH時(shí)必須根據(jù)其自身特性，對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。

2 FLASH的特點(diǎn)

FLASH是一種非易失性存儲(chǔ)器NVM（Non-Volatile Memory），根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以將其分成NOR FLASH和NAND FLASH兩種。但不管哪一種都具有如下特點(diǎn)：

（1）區(qū)塊結(jié)構(gòu)FLASH在物理結(jié)構(gòu)上分成若干個(gè)區(qū)塊，區(qū)塊之間相互獨(dú)立。比如NOR FLASH把整個(gè)Memory分成若干個(gè)Sector，而NAND FLASH把整個(gè)Memory分成若干個(gè)Block；

（2）先擦后寫由于FLASH的寫操作只能將數(shù)據(jù)位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫入之前必須先執(zhí)行擦操作，將預(yù)寫入的數(shù)據(jù)位初始化為1。擦操作的最小單位是一個(gè)區(qū)塊，而不是單個(gè)字節(jié)。

（3）操作指令除了NOR FLASH的讀，F(xiàn)LASH的其它操作不能像RAM那樣，直接對(duì)目標(biāo)地址進(jìn)行總線操 作。比如執(zhí)行一次寫操作，它必須輸入一串特殊的指令（NOR FLASH），或者完成一段時(shí)序（NAND FLASH）才能將數(shù)據(jù)寫入到FLASH中。

（4）位反轉(zhuǎn)由于FLASH固有的電器特性，在讀寫數(shù)據(jù)過程中，偶然會(huì)產(chǎn)生一位或幾位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。這就是位反轉(zhuǎn)。位反轉(zhuǎn)無法避免，只能通過其他手段對(duì)結(jié)果進(jìn)行事后處理。

（5）壞塊FLASH在使用過程中，可能導(dǎo)致某些區(qū)塊的損壞。區(qū)塊一旦損壞，將無法進(jìn)行修復(fù)。如果對(duì)已損壞的區(qū)塊進(jìn)行操作，可能會(huì)帶來不可預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤。尤其是NAND FLASH在出廠時(shí)就可能存在這樣的壞塊（已經(jīng)被標(biāo)識(shí)出）。

3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)

3.1　FLASH通用設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，設(shè)備的兼容性越好，系統(tǒng)可行性就越好，產(chǎn)品也就越有競(jìng)爭(zhēng)力。所以，為了兼容不同類型的FLASH設(shè)備，對(duì)FLASH進(jìn)行通用設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

對(duì)于NOR FLASH，數(shù)據(jù)的讀操作可以通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線快速完成，然而NOR FLASH的其他操作需要通過特殊的指令來完成，更糟糕的是不同廠商生產(chǎn)的芯片這些指令互不相同。這就導(dǎo)致了設(shè)備的不兼容。

對(duì)于NAND FLASH，也存在這樣的問題。NAND FLASH可以根據(jù)相同的指令讀取芯片的廠商號(hào)和設(shè)備號(hào),從而通過識(shí)別設(shè)備號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)的時(shí)序流程實(shí)現(xiàn)操作。但是，系統(tǒng)中太多的判斷，會(huì)使得程序的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。所以，在一定的條件下，NAND FLASH設(shè)備還是不兼容的。

為了解決這一問題，一個(gè)較好的方法是將FLASH的各個(gè)操作指令以及結(jié)構(gòu)特性按照統(tǒng)一的格式存放到FLASH中固定位置。系統(tǒng)初始化時(shí)，將這個(gè)結(jié)構(gòu)讀入系統(tǒng)，通過分析這個(gè)結(jié)構(gòu)，可以獲得關(guān)于芯片所有相關(guān)信息，包括操作指令，區(qū)塊分布等等。這樣，系統(tǒng)可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)FLASH的所有操作，極大地提高了設(shè)備的擴(kuò)展性。

3.2　雙模式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)中文件數(shù)據(jù)的存放一般有兩種結(jié)構(gòu)，一種是索引格式的線性結(jié)構(gòu)，一種是非線性的鏈表式結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。比如對(duì)于系統(tǒng)配置、點(diǎn)陣字庫等一些具有固定結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，索引結(jié)構(gòu)比鏈表式結(jié)構(gòu)更有效率。但對(duì)于經(jīng)常更新的用戶數(shù)據(jù)，鏈表式結(jié)構(gòu)要比索引結(jié)構(gòu)更靈活。如果系統(tǒng)能將兩種結(jié)構(gòu)集成，勢(shì)必能將性能發(fā)揮到最優(yōu)。

實(shí)現(xiàn)這種集成的方法是將設(shè)備定義成若干個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)相互獨(dú)立，不同分區(qū)可以使用不同的文件模式。這樣，不同類型的數(shù)據(jù)就可以根據(jù)自己的屬性選擇存放的分區(qū)。比如系統(tǒng)數(shù)據(jù)存放在使用索引線性結(jié)構(gòu)的分區(qū)，用戶數(shù)據(jù)存放在使用鏈?zhǔn)椒蔷€性結(jié)構(gòu)的分區(qū)。

3.3 壞塊處理

FLASH中的壞塊處理是一件很棘手的問題，如果沒有有效的管理，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)造成嚴(yán)重影響。一個(gè)可行的解決方法是生成一張壞塊表，壞塊表中記錄所有壞塊的塊號(hào)，并且按塊號(hào)從小到大排序，壞塊表在讀寫過程中動(dòng)態(tài)更新。當(dāng)讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，遍歷壞塊表中的塊號(hào)，將文件的邏輯地址轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)FLASH 物理地址，以保證所用的FLASH地址空間不存在壞塊。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1　結(jié)構(gòu)定義

系統(tǒng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在FLASH的Block0位置存放整個(gè)系統(tǒng)最重要的數(shù)據(jù)——系統(tǒng)記錄SR（System Record）。選擇Block0的原因是一般FLASH出廠時(shí)，都能保證Block0是完好的，因此可以避免壞塊問題帶來的不便。SR其實(shí)就是一個(gè)定義好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包括媒質(zhì)信息和文件系統(tǒng)信息兩部分。媒質(zhì)信息包括FLASH存儲(chǔ)器的類型、容量、塊類型的大小和數(shù)量（BlockInfo）、FLASH 操作命令（ CommandInfo ）等。文件系統(tǒng)信息包括版本信息、各邏輯分區(qū)的起始地址（物理地址）和結(jié)束地址。FLASH設(shè)備可以被分成一個(gè)或多個(gè)邏輯分區(qū)，每個(gè)邏輯分區(qū)采用的操作方式可以互不相同，如圖1中Device0分區(qū)采用的是線性文件系統(tǒng)，Device1分區(qū)采用的是鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)。如果采用的是線性文件系統(tǒng)，在分區(qū)信息后面加入文件索引表INDEX起始地址、大小等信息；如果采用的是鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)，則加入文件系統(tǒng)頁大小、文件分配表FAT和文件登記表FRT所在的位置等信息。

文件登記表FRT位于FAT后的頁中，存放著邏輯分區(qū)中文件的信息，如文件總數(shù)、每個(gè)文件的文件代號(hào)、位置、長(zhǎng)度以及校驗(yàn)?zāi)Ｊ?。其中，校?yàn)?zāi)Ｊ接脕順?biāo)識(shí)文件讀寫時(shí)采用差錯(cuò)校驗(yàn)的級(jí)別。不同類型的文件采用不同級(jí)別的校驗(yàn)方式。0級(jí)不進(jìn)行校驗(yàn)，1級(jí)ECC校驗(yàn)，2級(jí)逐個(gè)字節(jié)比較。

對(duì)于線性文件系統(tǒng)分區(qū)，所有文件順序存儲(chǔ)，讀取數(shù)據(jù)時(shí)，直接通過INDEX索引得到某個(gè)文件的邏輯起始地址，然后從這個(gè)地址開始順序搜索，獲取某個(gè)偏移位置下的n個(gè)連續(xù)Byte。鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)是將地址空間分成若干個(gè)等分，即Sector，它是操作的最小單位；一個(gè)大文件可以分布在不連續(xù)的多個(gè) Sector中，然后通過FAT表將它們連接起來；在FLASH介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)，Sector大小的選擇是一個(gè)關(guān)鍵，由于FLASH的寫操作，擦操作是以Page，Block為單位的，設(shè)小了使大塊結(jié)構(gòu)的FLASH寫操作復(fù)雜，設(shè)多了又浪費(fèi)空間，因此最好的選擇是將Sector大小設(shè)為擦操作的最小單位16K。

整個(gè)邏輯分區(qū)中，INDEX,FAT,FRT表中的內(nèi)容非常重要，一旦因?yàn)楫惓．a(chǎn)生錯(cuò)誤，可能會(huì)影響到所有文件；所以，這三個(gè)文件都做了備份處理，備份存放于不同的Block中。同時(shí)，在對(duì)他們處理時(shí)，改寫表中的更新狀態(tài)。0xff表示開始更新,0x00表示更新結(jié)束。在文件系統(tǒng)初始化時(shí)，讀取它們的更新狀態(tài)，如果表中的更新狀態(tài)為0xff，說明該表存在操作異常，可用備份表更正。

4.2　層次接口

整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)分成三層，如圖2所示。

（1）操作系統(tǒng)層

在整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)扮演的是使用者的角色。當(dāng)需要數(shù)據(jù)時(shí)，它通過調(diào)用文件系統(tǒng)層提供的接口函數(shù)獲取數(shù)據(jù)，它不關(guān)心數(shù)據(jù)的來源和正確性。

（2）文件系統(tǒng)層

文件系統(tǒng)層的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)它和操作系統(tǒng)層的函數(shù)接口。在實(shí)現(xiàn)方式上，線性文件系統(tǒng)和鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)有較大區(qū)別。比如文件讀取mfread,線性文件系統(tǒng)直接讀取所要的字節(jié)，而鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)是每次先把對(duì)應(yīng)的整個(gè)頁讀到文件緩沖區(qū)，然后再把所需數(shù)據(jù)拷貝到讀到指定內(nèi)存。文件刪除mfdelete，線性文件系統(tǒng)需要重新整理，不然就會(huì)因?yàn)榇罅康臄?shù)據(jù)空洞（由于空間太小，無法放入新文件的小塊區(qū)域）使得系統(tǒng)很快沒有可用空間。鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)只需修改文件系統(tǒng)的 FAT和FRT，而不用做其他任何處理，當(dāng)下次寫入操作用到該塊時(shí)，自動(dòng)完成擦除。

（3）驅(qū)動(dòng)層

驅(qū)動(dòng)層的任務(wù)是完成與FLASH之間的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)它和文件系統(tǒng)層的函數(shù)接口。接口函數(shù)包括頁面讀mPageRead，頁面寫mPageWrite, 塊擦除mBlockErase, 隨機(jī)讀取mRnRead, 隨機(jī)寫入mRnWrite。mPageRead，mPageWrite，mBlockErase對(duì)整頁或塊進(jìn)行操作，在鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)中調(diào)用； mRnRead, mRnWrite對(duì)字節(jié)單位進(jìn)行操作，在線性文件系統(tǒng)中調(diào)用。其中mRnWrite比較麻煩，以寫一個(gè)Byte為例，它的操作分三步，首先將目標(biāo)塊中的所有數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存Buffer中，然后將要寫入的數(shù)據(jù)更新到Buffer，擦除目標(biāo)塊，最后將已更新的Buffer寫回到目標(biāo)塊,這里的Buffer大小是一個(gè)Block。由于嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存資源比較緊張，系統(tǒng)采用了塊交換技術(shù)以降低成本,方法是在FLASH中搜索一個(gè)空閑塊，用它充當(dāng)Buffer的角色。

5 結(jié)論

通過上面的設(shè)計(jì)，所實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：

（1）使用通用模式設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)FLASH設(shè)備的兼容性；

（2）使用雙模式文件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使不同類型的數(shù)據(jù)處理效率同時(shí)達(dá)到最優(yōu)；（3）使用地址映射表，屏蔽了壞塊帶來的隱患，增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性；

（4）對(duì)重要數(shù)據(jù)采用備份保護(hù)，保證不會(huì)因?yàn)閿嚯姷犬惓?dǎo)致系統(tǒng)的崩潰，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性；

（5）采用塊交換技術(shù)，節(jié)約系統(tǒng)成本；

（6）進(jìn)行分級(jí)差錯(cuò)校驗(yàn)，提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。