Blackfin輕量級內核VDK及其文件系統設計

Blackfin（BF）系列DSP是ADI公司和Intel公司共同開(kāi)發(fā)的DSP,采用了一種新型結構MSA.BF系列中的BF537具有較塊的運算速度和豐富的接口資源，長(cháng)于控制和視頻圖像處理，且其帶有符合IEEE 802.3規范的以太網(wǎng)控制器，如果在BF537中移植帶有LwIP協(xié)議棧的VDK工程，并利用網(wǎng)絡(luò )芯片對537進(jìn)行擴展，就能便捷地實(shí)現嵌入式系統與因特網(wǎng)的通信。

由于低功耗、數據非易失、存儲速度快、存儲密度大等優(yōu)點(diǎn)，Nand Flash在閃存行列中脫穎而出，常被用作大容量數據的存儲媒質(zhì)。隨著(zhù)存儲系統容量和存取速度的不斷提升，構建嵌入式文件系統來(lái)實(shí)現存儲系統中數據的管理。

1 VDK與嵌入式文件系統

1.1 VDK簡(jiǎn)介

VDK（Visual DSP Kernel）是ADI公司針對Blackfin系列DSP處理器特別開(kāi)發(fā)的小而健壯的輕量級內核，特別適合編寫(xiě)需要精確控制的代碼，是一個(gè)提供了豐富的API函數庫，同時(shí)支持輕量級IP協(xié)議棧（LwIP）的RTOS。
VDK功能全面，具有線(xiàn)程、信號量、事件與事件位、消息、關(guān)鍵域與禁止調度域等特征。內核通過(guò)協(xié)同多任務(wù)和時(shí)間片輪轉的方式來(lái)管理和協(xié)調線(xiàn)程，這種方式稱(chēng)為調度.VDK運用程序可分為兩部分：線(xiàn)程域和中斷域。線(xiàn)程域中的調度稱(chēng)為軟件調度,由內核完成；中斷域中的調度稱(chēng)為硬件調度,由中斷控制器完成。后者的優(yōu)先級高于前者，而設備驅動(dòng)是兩者溝通的橋梁。

然而VDK只是一個(gè)裸核,不提供文件系統的支持，如果需要基于VDK實(shí)現文件系統，用戶(hù)必須自己編寫(xiě)各種接口函數的代碼。

1.2 基于Nand Flash的嵌入式文件系統簡(jiǎn)介

Flash文件系統主要有開(kāi)源的和商業(yè)的兩類(lèi)。開(kāi)源的Flash文件系統，有JFFS、JFFS2、YAFS等。JFFS采用高效的日志文件系統，具有掉電安全、臟塊回收、磨損均衡等特性，主要用于嵌入式Linux.Red Hat公司后來(lái)在JFFS基礎上進(jìn)行升級，發(fā)展出JSSF2.JSSF2采用哈希表的日志節點(diǎn)結構，加快了節點(diǎn)的操作速度。YAFFS也是基于日志結構的文件系統，相比JFFS,YAFFS減少了一些功能，但降低了內存占用率，提高了訪(fǎng)問(wèn)速度。
商業(yè)Flash文件系統主要有TrueFFS和TransactiONFFS.前者用于仿真硬盤(pán)驅動(dòng)，利用冗余數據結構保證可靠的數據操作，并能均勻使用Flash.后者使用事務(wù)記錄方案，運用程序可通過(guò)FAL訪(fǎng)問(wèn)文件系統。

2 嵌入式系統的硬件平臺

基于BF537的嵌入式系統硬件平臺的框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式系統硬件平臺

LAN8187用于對BF537的以太網(wǎng)控制器進(jìn)行擴展，使其能夠通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò )與上位機進(jìn)行通信。
BF537外掛了兩片Nor Flash芯片作為其異步外存。程序Nor Flash用于存儲運行程序代碼，數據Flash主要用于存儲文件系統運行所需的數據，例如文件目錄表、地址映射表等。XC4VFX100用于處理數據流的速度、解析和轉發(fā)BF537的命令，配合BF537對存儲陣列進(jìn)行管理。

3 嵌入式文件系統設計

3.1 文件目錄表

考慮到存儲系統的存儲速度較快，且文件數目較少的特點(diǎn)，文件目錄表采用線(xiàn)性表的方式。格式如表1所示，其中的更新次數用于記錄存放文件目錄表數據Nor Flash的編程次數。

表1 文件目錄表格式

文件系統采用Nor Flash中的一個(gè)64 kB的數據塊實(shí)時(shí)記錄文件目錄表。出于磨損均衡的考慮，如果數據塊的編程次數超過(guò)規定的閾值，文件系統將自動(dòng)跳到Nor Flash的下一個(gè)64 kB的數據塊記錄文件目錄表。

文件索引采用類(lèi)似日志記錄的方式，每個(gè)文件索引作為文件目錄表的一個(gè)節點(diǎn)。文件系統進(jìn)行文件操作時(shí)，可以根據具體操作要求，實(shí)時(shí)搜索、增刪和標記索引節點(diǎn)，文件索引格式如表2所示。

表2 文件索引格式

文件存儲時(shí)，主線(xiàn)程遍歷文件目錄表的節點(diǎn)信息，計算出當前存儲的起始塊地址，然后向存儲陣列發(fā)出開(kāi)始存儲的命令，隨后將控制權交給中斷域。一旦接收到存儲陣列的地址請求信號，運用程序進(jìn)入中斷，在中斷域中向文件存儲子線(xiàn)程發(fā)出信號，以發(fā)送當前地址信息，如此反復。如果主線(xiàn)程接收到用戶(hù)停止存儲的命令，將立即關(guān)閉中斷，取得控制權，接著(zhù)將最新的文件信息更新到文件目錄表的最后位置，作為最新的節點(diǎn)。

文件下載時(shí)，主線(xiàn)程遍歷文件目錄表，找到相應的文件索引信息，然后發(fā)送消息給文件下載子線(xiàn)程，開(kāi)始對指定文件進(jìn)行下載。如果需要刪除某個(gè)文件，在遍歷目錄表找到指定文件的信息后，先發(fā)送地址將存儲陣列相應數據塊的信息擦除，然后將該文件索引信息的文件標記置為刪除標記。

3.2 地址映射表

地址映射是文件系統的核心。文件系統將整個(gè)存儲陣列作為一個(gè)獨立的地址空間，統一編址。通過(guò)定義一個(gè)地址緩沖區，將其相應的偏移地址作為Nand Flash的物理地址，并根據壞塊信息對緩沖區相應偏移地址的單元做壞塊或有效塊的標記。文件系統在實(shí)際操作中，可查詢(xún)地址緩沖區，如果地址緩沖區某偏移地址為壞塊標記，則拋棄，繼續查詢(xún)下一個(gè)偏移地址的標記，如為有效塊標記，則將此偏移地址作為存儲陣列的有效物理塊地址。