Flash損耗均衡的嵌入式文件系統設計

引言
嵌入式系統的海量存儲器多采用Flash存儲器實(shí)現擴展，由于Flash存儲器具有有限寫(xiě)入次數的壽命限制，因此對于Flash存儲器局部的頻繁操作會(huì )縮短Flash存儲器的使用壽命。如何設計出一個(gè)合理的、針對嵌入式應用的文件系統，實(shí)現Flash存儲器的損耗均衡，并且實(shí)現數據的有效管理，對于提高其使用壽命具有一定的意義。
本文基于A(yíng)VR單片機擴展Flash存儲器和以太網(wǎng)控制器設計了一款嵌入式文件系統，實(shí)現數據存儲和存儲器使用的損耗均衡，為延長(cháng)Flash存儲器的使用壽命提供研究方法。
1 硬件平臺設計
本嵌入式文件系統選用Atmel公司的AVR單片機ATmega 128和Flash存儲器AT45D13081。該Flash芯片具有8 Mb存儲空間，共分為4096數據頁(yè)，每頁(yè)可存儲264字節。通過(guò)串行外圍設備接口SPI實(shí)現ATmega 128和AT45DB081之間的數據通信。文件系統的硬件結構如圖1所示。其中，RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網(wǎng)控制器。

2 嵌入式文件系統總體設計
文件系統的管理是通過(guò)把它所管理的信息組織成文件形式來(lái)實(shí)現的。文件是具有名稱(chēng)的相關(guān)信息元素的序列。從用戶(hù)角度看，文件系統主要實(shí)現了按名存儲；從系統管理的角度看，它主要實(shí)現了文件存儲器的空間組織及分配、文件信息的存儲以及文件的保護及檢索。文件系統要借助于組織良好的數據結構和算法來(lái)有效地對文件信息進(jìn)行管理，使用戶(hù)更方便地存儲信息。文件系統對于底層硬件的特性一般并不關(guān)心，只提供簡(jiǎn)單且標準的接口。
2．1 文件系統存儲結構
根據Flash芯片的特性，為了最快捷地實(shí)現文件數據的讀取，本文件系統采用單級目錄結構，利用鏈接頁(yè)的方法管理Flash的存儲空間。文件系統存儲結構圖如圖2所示。在Flash存儲器中，文件系統分為3部分：文件系統信息表(FAT)、文件控制塊(File Control Block，FCB)和數據區(Data Area，DA)。

文件系統信息表(FAT)用于存放文件系統的信息和屬性。數據結構包含FAT的有效性標志、文件總數、第一個(gè)文件控制塊的扇區號及其在存儲器中的地址，以及當前FAT在存儲器中的地址。
文件控制塊(FCB)是存放在Flash中的，表示文件的靜態(tài)信息。數據結構包含文件名(11字節之內)、文件首簇所在的扇區號、文件長(cháng)度、文件屬性、文件創(chuàng )建時(shí)間、下一個(gè)FCB的Flash地址以及文件控制塊有效標志。文件控制塊之間采用鏈表形式鏈接。
文件句柄(File_Handle)是存放在內存中的，表示文件的動(dòng)態(tài)信息。當用戶(hù)打開(kāi)或創(chuàng )建文件時(shí)，會(huì )在內存中申請一個(gè)文件句柄。數據結構包含文件句柄標示號、文件句柄狀態(tài)、文件名、文件首簇號、首簇所在的扇區號、當前簇號、文件指針、文件長(cháng)度以及文件的FCB地址。
操作系統中將相鄰的扇區組合在一起，形成一個(gè)簇，然后再對簇進(jìn)行管理。顯然，簇是操作系統所使用的邏輯概念，而非磁盤(pán)的物理特性。為了更好地管理磁盤(pán)空間和更高效地從硬盤(pán)讀取數據，操作系統規定一個(gè)簇中只能放置一個(gè)文件的內容，因此文件所占用的空間，只能是簇的整數倍。本文設計的文件系統規定一個(gè)簇的大小為存儲器的一個(gè)頁(yè)。