嵌入式系統(tǒng)Flash存儲管理策略研究

 1 引言

嵌入式系統(tǒng)中通常都需要存放一些非易失性數(shù)據(jù), 并且數(shù)據(jù)量的大小和數(shù)據(jù)類型根據(jù)不同系統(tǒng)需求差異很大。因此選取合適的存儲器是完成數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的第一步, 更重要的是使存儲系統(tǒng)長期穩(wěn)定、高效的工作, 這就必須尋求一個完備的存儲器數(shù)據(jù)管理方法[ 1] 。本文介紹了一種適用于無文件系統(tǒng)環(huán)境下的N OR Flash 管理方法, 采用分塊管理和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法使得Flash 的使用效率和操作可靠性得到大大提高。

2 NOR Flash 存儲器及其特性

NOR Flash 和NAND Flash 是目前市場上兩種主要的Flash 存儲器。一般在非海量存儲型的嵌入式設(shè)備中都是直接采用NOR Flash 作為程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)的存儲器, 這主要是由NORFlash 的特點所決定的。NOR Flash 的特點如下:

1) 存儲容量較小, 一般在1~ 16MByte 之間。

2) 具有和SRAM 相同的接口, 隨機讀取速度快, 可以做到芯片內(nèi)執(zhí)行( XIP) [ 2] 。

3) 存儲單元只能由1 寫成0, 因此進行寫操作前必須先進行擦除操作, 使對應的單元變成1。

4) 器件有一定的使用壽命, 一般為10~ 100 萬次。隨著使用次數(shù)的增加, 可能有的單元會失效。但是NOR Flash 出廠時器件的每個單元都有效。NOR Flash 的眾多特性使得它成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中首選的存儲器器件。由于NOR Flash 的擦除操作都是以塊為單位的, 并且不同種類的NOR Flash 器件所支持的擦除單位可能不一樣, 但是每種NOR Flash 器件都支持64KB 為單位的擦除[ 3~ 4] , 因此后面介紹的分塊管理方法將以64KB為塊基本單位, 從而解決分塊管理方法在不同種類NOR Flash 器件上實現(xiàn)時所出現(xiàn)的數(shù)據(jù)備份問題。

3 NOR Flash 分塊管理方法

為了均衡每個Flash 分塊的使用次數(shù), 提高整個存儲器件的使用壽命, 對Flash 采用分塊管理的方法[ 5] 。以64KB 為單位, 將系統(tǒng)分配用作非易失性數(shù)據(jù)區(qū)域進行分塊操作, 其中每個分塊又分成16 字節(jié)的頭部信息與數(shù)據(jù)區(qū)域。分塊示意圖如圖1 所示。

圖1 分塊示意圖

正是利用分塊的頭部信息, 進行擦除次數(shù)均衡與分塊狀態(tài)的切換。對于頭部幾個主要字段的定義如下:

1) Block_Flag ( 8bit) : 用于標志分塊的狀態(tài), 總共有BF _NOT _ INIT ( 0xFF) 、BF _FREE ( 0xFE)、BF_COPYING_ DATA ( 0xFC )、BF _ COPY _ FINISHED(0xF8) 、BF_INUSE( 0xF0) 、BF_SRC_DATA ( 0xE0) 、BF_ERASING( 0xC0)、BF_INVALID(0x00) 8 種狀態(tài)。

2) Blo ck _ Data _ T ype ( 8bit ) 和Blo ck _ Data _Ty pe_Ext ( 8bit ) : 分別表示該分塊存儲的數(shù)據(jù)類型和子類型, 這兩個字段都由應用程序所存儲的數(shù)據(jù)類型決定。例如學生信息的存儲, 可能的一種存儲方法是一個分塊存儲學生的學號信息, 而其它幾個分塊存儲學生的具體信息, 這時它們的數(shù)據(jù)類型一樣, 但是子類型卻不一樣。

3) Block_Erase_Counter( 32bit ) : 該字段用來動態(tài)記錄每個分塊的擦除次數(shù), 從而方便應用程序?qū)lash 分塊的使用次數(shù)進行均衡。

4) Next_Off set ( 16bit ) : 該字段為將來擴展之用, 用來將64K 的分塊空間進一步細化, 使得將來1 個64K 空間內(nèi)可以存儲不同類型的數(shù)據(jù)。

4 NOR Flash 分塊狀態(tài)切換與使用均衡

在Flash 的使用過程中, 必然存在著多次的數(shù)據(jù)更新, 當前嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)更新的一般做法是先將新數(shù)據(jù)寫入Flash, 然后將舊的數(shù)據(jù)置為無效狀態(tài)[ 6] 。如果每次數(shù)據(jù)更新都馬上將原先數(shù)據(jù)擦除,則將造成Flash 的擦除次數(shù)急劇增加。隨著數(shù)據(jù)更新次數(shù)的增多, 也就導致Flash 存儲系統(tǒng)中的可用資源不斷減少, 因此在某個時刻就必須對系統(tǒng)中的垃圾資源進行回收。通過巧妙設(shè)置Flash 分塊的狀態(tài),并在資源回收過程中對源、目標兩個分塊進行適當?shù)臓顟B(tài)切換, 可以確保在資源回收過程中不會因掉電原因而產(chǎn)生數(shù)據(jù)的丟失。令回收源分塊為A, 新目標分塊為B, 資源回收流程如圖2 所示。

圖2 資源回收流程圖

對于每次系統(tǒng)上電后, 應用程序?qū)⒆x取每個Flash 數(shù)據(jù)分塊的頭部信息, 在內(nèi)存中建立相應的分塊信息表, 同時根據(jù)頭部信息和空閑地址搜索算法去初始化每種數(shù)據(jù)類型的起始地址與空閑區(qū)域首地址, 同時必須對異常狀態(tài)進行檢測恢復。其中對每個分塊的初始化主要是根據(jù)分塊頭部的狀態(tài)信息進行判斷, 檢測是否之前有掉電過, 然后做出相應處理, 主要有以下幾種可能:

1) 狀態(tài)為BF _NOT _INIT, 則將其初始化為BF_FREE 狀態(tài)。

2) 狀態(tài)為BF_FREE 或BF_INUSE, 則在內(nèi)存中建立分塊信息, 無需其它操作。

3) 狀態(tài)為BF _ COPYIN G _ DAT A 或BF _ERASING, 則將其擦除后置為BF_FREE 狀態(tài)。

4) 分塊A 狀態(tài)為BF_SRC_DATA, 如果有另一個分塊B 為BF_COPY _FINISHED, 則根據(jù)流程圖繼續(xù)完成資源回收操作。如果有另一個分塊B 為BF_COPYING_DAT A, 則擦除B 后置為BF_FREE 狀態(tài), 然后對A 重新進行資源回收操作。
5) 狀態(tài)為BF_INVA LID, 則該塊為壞塊, 不在內(nèi)存中建立分塊信息。為了均衡每一個分塊的使用次數(shù), 延長整塊Flash 的使用壽命, 在每次進行分塊擦除之后, 必須先將之前記錄下來的Block_Erase_Counter 加1, 然后組成新的頭部信息重新寫回分塊頭部, 從而達到動態(tài)記錄每個分塊擦除次數(shù)的功能。在進行空閑分塊申請的時候, 必須遍歷所有狀態(tài)為BF_FREE 分塊, 選取Block_Erase_Counter 數(shù)值最小的作為新分塊分配, 從而使得每個分塊的使用次數(shù)趨于一致。

5 分塊管理在嵌入式軟件系統(tǒng)中的實現(xiàn)

在嵌入式軟件的設(shè)計中, 良好的軟件架構(gòu)設(shè)計可以使得軟件具有更好的可靠性及可擴展性。目前分層架構(gòu)是嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計中最為流行的一種[ 7] 。因此在軟件實現(xiàn)過程中, 采用了分層的軟件架構(gòu)將分塊管理軟件分為Flash 驅(qū)動層、No rFlash 分塊管理層和數(shù)據(jù)類型管理層三層。具體的軟硬件分層示意圖如圖3 所示。

圖3 存儲模塊軟件構(gòu)架 

軟件最底層為Flash 驅(qū)動層, 考慮到NOR Flash存儲器的多樣性, 并且各種器件的底層驅(qū)動可能不同, 因此Flash 驅(qū)動層的建立可以向分塊管理層屏蔽具體的硬件信息。一般驅(qū)動層的實現(xiàn)主要采用函數(shù)指針的方法進行[ 8] , 初始化時通過讀取不同F(xiàn)lash 的ID 分別對read、write 和erase 等基本操作函數(shù)指針進行賦值, 此后上層軟件在對Flash 進行實際操作時則通過函數(shù)指針進行, 并不清楚具體的Flash 信息。在嵌入式系統(tǒng)中, 非易失性數(shù)據(jù)的種類有多種多樣, 因此分塊管理層本身并不涉及具體類型數(shù)據(jù)的存儲方法, 只是預留幾個字段用于記錄數(shù)據(jù)類型等信息[ 9] 。這些字段用于數(shù)據(jù)類型管理程序初始化時使用。數(shù)據(jù)類型管理層的主要功能是管理NOR Flash存儲器中不同類型的數(shù)據(jù), 向應用程序提供基于數(shù)據(jù)類型的各種操作, 屏蔽掉具體的分塊管理信息。分塊管理層程序負責資源回收算法、開機Flash 異?；謴退惴ǖ膶崿F(xiàn), 同時向數(shù)據(jù)類型管理層提供各種類型數(shù)據(jù)的所在的分塊地址信息。通過這種構(gòu)架使得每一層的實現(xiàn)都易于采用面向?qū)ο蟮乃枷雽崿F(xiàn), 其中從底層至上層的對象分別Flash、分塊、數(shù)據(jù)類型。