閃存在嵌入式Linux系統中的應用

0 引言

Linux系統自誕生以來(lái)，不斷發(fā)展壯大，支持越來(lái)越多的硬件體系，獲得了日益廣泛的應用，從服務(wù)器、桌面計算，到機頂盒、手機、路由器等，可以說(shuō)無(wú)處不在。雖然都是Linux系統，但是嵌入式環(huán)境和通用計算環(huán)境中的軟件／硬件配置大不相同。這是因為嵌入式系統大多都是為某一專(zhuān)門(mén)應用而特別設計的，有可能需要耐受各種惡劣環(huán)境(比如意外斷電、極端溫度、強沖擊／振動(dòng)／輻射等)，還受到體積、功耗、成本等諸多因素的限制，功能針對性強，需要酌情增加一些專(zhuān)用的硬件(如各種傳感器和專(zhuān)用接口)，而許多通用計算機上常用的外設在嵌入式系統中不那么常見(jiàn)，典型的例子是硬盤(pán)、CD／DVD-ROM等大容量的非易失存儲設備，在嵌入式系統中，它們通常被各種形式的閃存所取代。閃存的存儲特性與硬盤(pán)等存儲設備的巨大差異，導致它必須使用專(zhuān)用存儲控制器、驅動(dòng)程序及文件系統。對不同類(lèi)型閃存及相應文件系統的選用，會(huì )影響最終形成系統的性能和穩定性，必須綜合各種系統構件的特點(diǎn)及目標系統的需求做出慎重的抉擇。

1 閃存類(lèi)型及特性

嵌入式系統中常用的閃存有兩類(lèi)：NORFLASH和NANDFLASH。它們因內部結構與“或非”及“與非”門(mén)相似而得名。它們不僅在內部結構上不同，外部特性和應用也不一樣。NORFLASH的容量通常不大，常見(jiàn)的只有幾MB，可以重復擦寫(xiě)10萬(wàn)次到100萬(wàn)次。NORFLASH遵循CFI標準，可以通過(guò)CFI命令查詢(xún)其制造商、器件型號、容量、內部扇區布局等參數，實(shí)現軟件自動(dòng)配置。NORFLASH的優(yōu)勢還在于它在出廠(chǎng)時(shí)能保證每個(gè)數據位都是有效的，不需要做壞塊處理。NORFLASH的線(xiàn)性尋址特性使之可以作為啟動(dòng)存儲器使用。與NORFLASH相比，NANDFLASH的容量可以做得很大，常見(jiàn)的有幾十MB到幾GB，可以重復擦寫(xiě)10萬(wàn)次。NANDFLASH芯片上沒(méi)有地址與數據線(xiàn)之分，只有復用的I／O線(xiàn)和命令鎖存(CLE)、地址

鎖存(ALE)、讀／寫(xiě)使能(RE，WE)和片選(CE)等控制線(xiàn)，必須通過(guò)特定的邏輯來(lái)操作。NANDFLASH不支持線(xiàn)性尋址，一般不能用作啟動(dòng)ROM。但這也不是絕對的。有些微控制器(如AT91SAM926x)提供出廠(chǎng)前固化在芯片內部的BOOT-ROM，并在BOOT-ROM中提供對NANDFLASH啟動(dòng)的支持。不過(guò)這樣一來(lái)，首先啟動(dòng)的是BOOT-ROM中的程序，會(huì )產(chǎn)生啟動(dòng)邏輯和延時(shí)方面的種種問(wèn)題，設計時(shí)需要全面考慮。另外，生產(chǎn)廠(chǎng)商不保證NAND-FLASH中每一個(gè)數據位都是有效的，除芯片中的第一塊之外，允許有“初始壞塊”，并約定在壞塊的第一頁(yè)或第二頁(yè)帶外區(OOB)的特定位置標記壞塊。NANDFLASH還允許在使用過(guò)程中出現新的壞塊，以及非壞塊在讀出過(guò)程中出錯?；谶@些特點(diǎn)，使用這種閃存時(shí)要做額外的壞塊管理和校驗／糾錯工作。在寫(xiě)入密集型系統中，必須提供ECC及壞塊換出算法，才能達到10萬(wàn)次的寫(xiě)入指標。

除了以上提到的兩種閃存之外，還有一種由NORFLASH衍生的串行閃存，通常是SPI接口。這種閃存繼承了NORFLASH沒(méi)有壞塊的優(yōu)點(diǎn)，但不支持CFI標準，并且由于是串行接口，線(xiàn)性尋址沒(méi)有意義，為了方便操作，有些產(chǎn)品中加入了類(lèi)似NANDFLASH的塊／頁(yè)結構及基于片內SRAM的頁(yè)緩存，其優(yōu)勢在于硬件接口簡(jiǎn)單，提供小尺寸的封裝，可以顯著(zhù)減小PCB面積和布線(xiàn)復雜程度。

另外，基于NANDFLASH技術(shù)的串行閃存已經(jīng)量產(chǎn)，使用的也是SPI接口，容量可以做到1Gb。

2 應用設計

目標應用系統是一臺專(zhuān)用的戶(hù)外顯示設備，要求其具有低功耗、抗振、寬溫操作及高可靠性等特點(diǎn)。為此，選擇了AT91SAM9261／AT91-SAM9G10，它是以ARM9為核心的集成片上液晶控制器的工業(yè)級微控制器，以DATA FLASH／NORFLASH和NANDFLASH存儲固件代碼和數據。在設計過(guò)程中，根據不同的閃存使用需求，采取了具有針對性的方案。

2．1 啟動(dòng)設計

在該系統中，結合微控制器提供的功能和各種閃存的特點(diǎn)，可以綜合使用不同類(lèi)型的閃存，選擇不同的啟動(dòng)方式。AT91SAM9261內部集成了啟動(dòng)ROM，其中固化了支持啟動(dòng)和操作閃存的程序。流程圖如圖1所示。當AT91SAM9261的啟動(dòng)模式選擇(BMS)引腳在復位期間為高電平時(shí)，會(huì )運行內部固化的啟動(dòng)程序；否則運行外部NORFLASH中的程序。從流程圖中可以看出，啟動(dòng)程序支持從串行閃存中啟動(dòng)。這是通過(guò)啟動(dòng)程序將串行閃存中的代碼加載到內部SRAM中實(shí)現的。由于內部SRAM容量有限(依芯片型號不同，有16 KB和160 KB兩種)，像U-BOOt(編譯后有170KB左右，與配置有關(guān))這樣的功能，若較全面地啟動(dòng)加載程序(Bootloader)是不能直接從串行閃存中啟動(dòng)的，而只能選擇兩級啟動(dòng)程序，先從串行閃存中加載一段盡可能小的一級啟動(dòng)程序(通常只有4～5 KB)．用于初始化關(guān)鍵的硬件(如SDRAM控制器。由于時(shí)序、數據線(xiàn)寬等參數是可變的，不可能在A(yíng)T91SAM9261內部固化的啟動(dòng)程序中提供通用的SDRAM控制器初始化代碼)，然后再由一級啟動(dòng)程序把功能較全面的二級啟動(dòng)程序載入到容量足夠大的SDRAM中運行，以啟動(dòng)系統。從NORFLASH啟動(dòng)時(shí)會(huì )跳過(guò)AT91SAM9261內部固化的啟動(dòng)程序，系統復位后執行的第一條指行就是NORFLASH中的。此時(shí)，啟動(dòng)程序可以只有1級，當然，為了使軟件和串行閃存啟動(dòng)方式有較好的兼容性，也仍然可以采用兩級啟動(dòng)程序，這樣只需簡(jiǎn)單修改第一級啟動(dòng)程序即可適用于兩種不同的硬件啟動(dòng)配置，為硬件設計留下更多的選擇空間。由于A(yíng)T91SAM9261本身的原因，從NORFLASH啟動(dòng)是實(shí)現寬溫工作的惟一選擇(AT91SAM9G10無(wú)此問(wèn)題)。圖2顯示了不同的啟動(dòng)配置。

在這個(gè)AT91SAM9261系統中，分別采用了2 MB的DATAFLASH或2 MB的NORFLASH作為啟動(dòng)存儲器，由BMS引腳選擇具體使用何種啟動(dòng)方式。閃

存中的地址劃分如圖3所示，其中的bootSTrap是第一級啟動(dòng)程序；U-Boot是第二級啟動(dòng)程序。

2．2 系統內核及應用程序文件系統映像

系統內核映像和各MTD分區的文件系統映像大小在幾MB到幾十MB不等，需要存儲在容量較大的NANDFLASH中。對于系統內核，由于做了適當的裁減，其長(cháng)度不大，和初始根文件系統加在一起不過(guò)幾MB，如果不在乎稍長(cháng)的啟動(dòng)時(shí)間，還可以對它使用gzip壓縮，大幅度減小其尺寸。在使用U-Boot作為啟動(dòng)程序的系統中，由于U-Boot具有直接讀取NANDFLASH塊／頁(yè)的能力，不需要使用文件系統，將內核映像直接寫(xiě)到閃存塊里。

應用程序及其所需的庫文件、資源文件等，作為獨立的文件系統映像掛載，在此選擇了帶有壓縮及去除重復文件功能的只讀文件系統，即SqLrashFS(SquashFs文件系統已經(jīng)被廣泛用于各種Linux Live CD形式的發(fā)行版中，被充分證明是可靠的，并且從Linux 2．6．29版開(kāi)始，它已加入到系統核心源碼)。在嵌入式系統中，使用只讀文件系統有許多好處，比如掛載時(shí)間短，不受掉電影響，不必在系統運行過(guò)程中處理壞塊及平衡損耗等。在使用過(guò)程中由于不涉及寫(xiě)入，其可靠性?xún)?yōu)于可寫(xiě)的文件系統。

在此目標系統中，內核和初始根文件系統的U-Boot映像約為2．8 MB，應用程序、GUI子系統，以及應用程序運行過(guò)程中所需的圖形和字體文件的SquashFS映像約為12 MB。系統中使用的NANDFLASH是一片總容量為64 MB的8位數據線(xiàn)寬的芯片，塊容量是16 KB+512 B，頁(yè)容量是512 B+16 B，其屬于塊尺寸較小的那種，與大塊NANDFLASH相比，操作命令稍有區別，在驅動(dòng)程序中需要區別對待。該系統中的MTD分區結構如表1所示。

2．3 應用程序對閃存的使用

大多數情況下，僅提供對閃存的只讀操作是不夠的。比如，U-Boot至少在更新其自身以及保存環(huán)境變量時(shí)需要寫(xiě)閃存；操作系統在記錄日志時(shí)要寫(xiě)閃存；應用程序在保存用戶(hù)配置及工作數據時(shí)也要寫(xiě)閃存。對于啟動(dòng)加載程序來(lái)說(shuō)，問(wèn)題不是很?chē)乐?。因為系統處于更新及配置狀態(tài)時(shí)，大多是脫離正常工作狀態(tài)的，且由專(zhuān)人操作，操作中途發(fā)生異常情況(如掉電)的可能性不大，即使發(fā)生了，也會(huì )被及時(shí)發(fā)現和處理。對于系統日志，在嵌入式系統中可以將其關(guān)閉，以減少對閃存的寫(xiě)操作。應用程序對閃存的寫(xiě)操作是不可避免的，而且處于設備自動(dòng)工作期間，需要應對各種偶然發(fā)生的異常狀況，特別是意外掉電。

在Linux系統中，通過(guò)文件系統訪(fǎng)問(wèn)閃存是順理成章的做法。目前支持NANDFLAsH的常用文件系統有YAFFS／YAFFS2，JFFS2和UBIFS等。它們都是記帳式的文件系統，各有特點(diǎn)，也有不足。

YAFFS／YAFFS2是專(zhuān)為NANDFLASH寫(xiě)的文件系統。在YAFFS的代碼里包括管理閃存帶外區(OOB)的部分，而這部分代碼一般認為屬于設備驅動(dòng)的范疇，其他文件系統里是不含這部分代碼的。YAFFS是一種穩鍵的記帳結構的文件系統。高效率是它追求的另一個(gè)目標。它可以用在各種操作系統中(已用于Linux，WinCE，pSOS，eCos，ThreadX及各種專(zhuān)用操作系統中)，甚至可以在沒(méi)有操作系統的環(huán)境下工作。YAFFS2支持“檢查點(diǎn)(checkpoints)”，以避免掛載過(guò)程中耗時(shí)的掃描操作，實(shí)現快速掛載。

相對于JFFS，JFFS2有了一些改進(jìn)，可以支持硬連接(hard Links)，垃圾回收更有效，平衡損耗更均勻。但它在掛載時(shí)仍需要掃描尋找最新版本的閃存塊，并建立RAM中的數據結構，文件系統越大，掛載時(shí)間越長(cháng)，RAM開(kāi)銷(xiāo)也越大。雖然JFFS2已經(jīng)通過(guò)小結節點(diǎn)技術(shù)減少了掛載時(shí)間，但結果仍不理想，掛載時(shí)間是s級的。

UBIFS是JFFS2的后繼(原來(lái)稱(chēng)作JFFS3)，第1個(gè)穩定版本于2008年10月加入到Linux 2．6．27版核心中，它有一個(gè)競爭者叫LogFS。UBIFS與JFFS2的最大不同在于它的文件索引信息是寫(xiě)在閃存中的，而JFFS2是暫存在RAM中的。因此，UBIFS在掛載時(shí)不需要掃描全部閃存空間，掛載耗時(shí)很短(ms級)；UBIFS對RAM的消耗不會(huì )隨著(zhù)文件系統的尺寸變大而線(xiàn)性增長(cháng)，適用于大容量的文件系統。

除這這些不同之外，各種閃存文件系統也存在一些共性。由于閃存的寫(xiě)入次數有限，為了避免局部因頻繁寫(xiě)入而過(guò)早失效，必須使寫(xiě)入操作盡量均勻分布到所有位置上，即平衡損耗(wear leveling)。這導致了更新文件時(shí)必須做異位更新，而不能像在磁盤(pán)或RAM中那樣簡(jiǎn)單地原位更新，從而引起一系列復雜的問(wèn)題。首先，異位更新會(huì )導致閃存塊中出現越來(lái)越多的過(guò)期頁(yè)面，它們與有效頁(yè)面混雜在一起，形成所謂的臟塊(dirty blocks)。當所有的閃存塊都成為臟塊后，就沒(méi)有閃存塊可供擦除再分配了。因此，基于閃存的文件系統都有垃圾回收器，用于將分散的過(guò)期頁(yè)面集中在一起，形成空閃存塊(free blocks)。由此引起的另一個(gè)問(wèn)題是文件系統在使用時(shí)不能用到接近填滿(mǎn)，否則也會(huì )導致類(lèi)似的問(wèn)題。其次，樹(shù)狀結構的文件索引中存在大量的互相引用，某個(gè)節點(diǎn)的改變會(huì )引起該節點(diǎn)本身及直接和間接引用它的一系列節點(diǎn)的異位更新。

從以上的分析可以看出，NANDFLASH上的文件系統是一把雙刃劍。它確實(shí)可以提供清晰的軟件層次和使用上的方便，但同時(shí)也會(huì )降低操作效率，并具有潛在的可靠性問(wèn)題。關(guān)鍵是如何合理使用，揚長(cháng)避短。其實(shí)，對于寫(xiě)入量小(一個(gè)擦除塊之內)，并且不頻繁的數據，可以跳過(guò)文件系統，通過(guò)ioctrl()函數直接操作閃存。這樣做的缺點(diǎn)是破壞了軟件層次，要求應用軟件開(kāi)發(fā)人員了解一部分硬件的細節，在應用程序中完成一些本應屬于驅動(dòng)程序的底層功能(如塊擦除，發(fā)現和標記壞塊等)；優(yōu)點(diǎn)是可以?huà)侀_(kāi)復雜的文件系統，不需要掛載及卸載，更不存在文件系統的完整性問(wèn)題，平衡損耗等措施可以視需要取舍，尤其在意外掉電時(shí)，該方法可將所有的讀／寫(xiě)錯誤都限制在相對較小的局部，具有較好的應對掉電的能力。

2．4 閃存燒寫(xiě)支持

系統中的各種閃存可以用不同的方法寫(xiě)入數據，各種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)?？晒┻x擇的方法主要有兩種：在芯片焊接前用通用的編程器燒寫(xiě)；在芯片焊接后進(jìn)行在系統燒寫(xiě)(ISP)。使用通用的編程器可以快速大量地燒寫(xiě)芯片，適合大批量生產(chǎn)，但芯片一旦焊到印制板上，這

種方法就不能用了。在系統編程(ISP)適合燒寫(xiě)已經(jīng)焊在印制板上的芯片，通常1次只能寫(xiě)1塊板子，但是不需要專(zhuān)用的設備，只要有1臺計算機和相應的連接電纜(如USB電纜)及配套軟件就可以工作，非常適合小批量生產(chǎn)和軟件升級。另外，通過(guò)ISP軟件提供的硬件寄存器讀／寫(xiě)和目標存儲器讀／寫(xiě)功能，還可以實(shí)現一定程度上的電路板測試和調試功能。

具體到AT91系列芯片可以借助芯片內固化的SAM-BA BOOT(見(jiàn)圖1)提供的支持，通過(guò)USB或調試串口燒寫(xiě)系統中的閃存，尤其是通過(guò)USB燒寫(xiě)十分方便快捷，燒寫(xiě)Linux核心映像到NANDFLASH只需要幾秒。對于A(yíng)T91SAM9261，使用這種編程方式需要滿(mǎn)足幾個(gè)條件：

　　(1)AT91SAM9261的BMS引腳在復位期間保持高電平；

　　(2)SPl0的CS0對應的芯片不存在，或者對應的芯片中不存在有效的啟動(dòng)代碼；

　　(3)PC機與目標板之間通過(guò)串口或USB口連接；

　　(4)PC機上安裝SAM-BA工具軟件。

PC機上的SAM-BA工具軟件可以支持對目標系統多種存儲器的讀／寫(xiě)，默認情況下可以支持DATAFLASH，NANDFLASH、內部SRAM和外部SDRA-M。尤其是對DATAFLASH的支持非常不錯，可以自動(dòng)識別各種不同容量的芯片，寫(xiě)入速度也比較快。但是它對NANDFLASH的支持并不理想，對于某些NANDFLASH芯片，操作會(huì )失敗。對于NORFLASH，則根本不提供現成的支持。不過(guò)它提供了基于COM技術(shù)的動(dòng)態(tài)庫，并且公開(kāi)了編程接口，可以使用C／C++程序或TCL腳本控制燒寫(xiě)過(guò)程，對于不提供官方支持的芯片，可以自行編寫(xiě)代碼擴展的SAMBA的功能。以擴展NORFLASH編程功能為例，需要自行編寫(xiě)的有以下部分：

(1)下載到目標板上運行的ARM代碼。這部分程序在SAM-BA v2．4中稱(chēng)為monitor，在SAM-BA v2．8中稱(chēng)為applet，其實(shí)就是供芯片內固化的SAMBA B00T調用的功能擴展部分；

(2)PC機上的TCL腳本或C／C++程序。用于初始化硬件(如SDRAM控制器)，向目標板下載mONitor／applet，以及傳送目標程序代碼和控制燒寫(xiě)過(guò)程。

如果使用TCL腳本，在相關(guān)腳本更改完成后，運行SAMBA工具軟件，會(huì )出現新添加的NORFLASH標簽頁(yè)，如圖4所示。在擴展的各部分功能基礎之上，還可以編寫(xiě)一個(gè)綜合性的自動(dòng)化腳本，將所有的程序代碼及數據(如Bootstrap，U-Boot，U-Boot的環(huán)境變量、內核映像、各分區的文件系統映像等)一次性寫(xiě)入目標板上不同芯片內的各個(gè)指定地址，以簡(jiǎn)化編程操作，提高生產(chǎn)效率。

3 結語(yǔ)

閃存是目前嵌入式系統中廣泛應用的非易失存儲介質(zhì)，具有可以重復寫(xiě)入和存儲容量大等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在寫(xiě)入次數有限，操作稍顯復雜和速度慢等缺陷。若使用不當，會(huì )引起性能和可靠性方面的問(wèn)題。通過(guò)深入分析現有閃存相關(guān)的硬件、軟件特點(diǎn)，在系統中按需要采取具有針對性的應用方式，設計的系統在閃存應用方面獲得了較好的效果：系統啟動(dòng)時(shí)間較短，工作穩定，順利通過(guò)了高溫老化試驗及長(cháng)達數月的現場(chǎng)應用考驗。另外，采用自動(dòng)化腳本與監控程序結合的閃存燒寫(xiě)設計，不僅簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程，還提供了一定程度上硬件調試的支持。

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