適宜于嵌入式多媒體應用的Flash文件系統

3 提高Flash文件系統的可靠性

在MS-DOS的FAT文件系統中，僅僅對數據區域提供壞損管理，而對于它的主引導記錄、文件分配表和根目錄這三個(gè)極重要的文件系統數據結構卻未做任何保護(雖然MS-DOS的FAT文件系統中存在著(zhù)兩張FAT表，但是DOS只是簡(jiǎn)單地復寫(xiě)第二張FAT表而從不使用它。一旦這三個(gè)區域的內容出現一點(diǎn)失效，將必然導致文件數據的大量損失。另外，如果這些數據結構的存儲區域發(fā)生物理性損壞，更會(huì )導致整張磁盤(pán)的報廢。這在由Flash存儲器占據很大成本比重的嵌入式應用中，是非常不希望的。

歸結起來(lái)，嵌入式系統中的Flash存儲器主要面臨兩大類(lèi)不穩定因素：一是Flash存儲器本身可能出現物理性的損壞；二是嵌入式系統面對較多的突發(fā)掉電與重啟動(dòng)，造成Flash存儲器寫(xiě)操作的異常終止。

針對Flash存儲器的物理?yè)p壞問(wèn)題，除對文件數據區域提供壞損管理外，還將系統記錄、文件分配表和文件登記表這三個(gè)文件系統重要數據結構采用浮動(dòng)位置的方法存儲。即不僅對文件數據存儲進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分配管理，對于Flash文件系統中的這三個(gè)重要數據結構也不固定其存儲位置。這樣可以避免因它們的存儲區域發(fā)生物理?yè)p壞造成整個(gè)文件系統失效。具體做法是：對于系統記錄定義一個(gè)系統記錄保留區，將系統記錄存在這個(gè)區域內，確切的位置在文件系統初始化的時(shí)候通過(guò)標識幻數(Magic Number)的方法掃描找到；而文件分配表和文件登記表則存放在文件數據區域內，通過(guò)系統記錄中的索引項找到。

針對Flash存儲器的寫(xiě)操作異常終止問(wèn)題，將系統記錄、文件分配表和文件登記表這三個(gè)對Flash文件系統最重要的數據結構均進(jìn)行雙份的存儲以改善其安全性。在文件系統的操作中，程序對每一個(gè)表結構的兩個(gè)備份進(jìn)行順次修改，以此確保Flash存儲器上總是存有一整套完好的系統記錄表、文件分配表和文件登記表。在系統被啟動(dòng)運行時(shí)，文件系統會(huì )首先進(jìn)行自檢，通過(guò)這三個(gè)表結構中的標識幻數，以及最開(kāi)頭和最末尾的更新序列號可以確定每一張表備份的合法性和時(shí)效性，判斷出前次系統關(guān)閉中存在著(zhù)的操作異常終止并及時(shí)更正。通過(guò)這樣的設計，即使文件系統在使用中出現了寫(xiě)操作異常終止的情況，錯誤將只涉及當時(shí)被操作的文件數據，不會(huì )擴散給FLASH文件系統中的其它文件，更不會(huì )因此損壞三個(gè)文件系統表結構，造成整個(gè)文件系統的徹底癱瘓。

通過(guò)以上兩個(gè)方面的改進(jìn)，本Flash文件系統的可靠性相比于MS-DOS FAT文件系統有了很大的提高。從實(shí)驗1和實(shí)驗2的仿真結果可以看到，即使在Flash極不可靠和寫(xiě)操作異常終止頻發(fā)的最?lèi)毫庸ぷ鳁l件下，本Flash文件系統也能夠保持可靠工作，從而使之能夠適合于嵌入式系統的應用。 

4 降低Flash文件系統的資源消耗

嵌入式系統相對于通用計算機系統來(lái)講，往往有苛刻得多的成本要求，需要嵌入式系統盡可能低的系統資源配置。尤其對于Flash文件系統這種用于增強系統功能的服務(wù)性質(zhì)模塊，就更需要降低對系統資源的消耗，才能夠擴大其使用的范圍。

就Flash文件系統的資源消耗來(lái)講，主要包括程序代碼開(kāi)銷(xiāo)、處理器占用時(shí)間、運行時(shí)內存開(kāi)銷(xiāo)以及額外的Flash存儲器消耗。其中，運行時(shí)內存開(kāi)銷(xiāo)最限制Flash文件系統的應用，同時(shí)設計結構的改善與運行時(shí)內存開(kāi)銷(xiāo)直接相關(guān)。所以針對資源消耗的結構優(yōu)化主要著(zhù)重于降低運行時(shí)的內存開(kāi)銷(xiāo)。

Flash存儲器的擦除單位是區塊(Block)，這是本Flash文件系統中數據存儲分配的最小單元。如果不采用任何措施的話(huà)，運行時(shí)內存開(kāi)銷(xiāo)中將至少包括備份一個(gè)完整區塊數據的緩沖區。但一個(gè)Flash存儲器的區塊可能很大(Sumsung[TM] KM29U128是16KB)，這在很多嵌入式系統中都是過(guò)大的資源開(kāi)銷(xiāo)(最通用的8位微處理器MCS-51系列，總線(xiàn)尋址的能力只有64KB)，必須進(jìn)行改進(jìn)。

為此，采用交換緩沖區(Swap Buffer)技術(shù)來(lái)解決這個(gè)困難。當需要準備某一個(gè)區塊的數據時(shí)，并不直接向該區塊寫(xiě)入，而是首先擦除用于做交換緩沖區的區塊，然后逐步向交換緩沖區填入目的數據內容。因為此時(shí)，任何有用數據內容都未被破壞，所以運行內存中的緩沖就可以做得比較小。當交換緩沖區填寫(xiě)完成后，再擦除目的區塊，拷貝交換緩沖區內容到目的區塊。 

采用交換緩沖區后，對內存中的緩沖區大小沒(méi)有特別要求，考慮到Flash存儲器的操作特性，選取Flash存儲器的頁(yè)面(Page)容量作為內存緩沖區大小。在結構上作了上述改進(jìn)后，雖然大大降低了Flash文件系統的運行時(shí)內存消耗，但代價(jià)是將一個(gè)數據區塊的寫(xiě)入時(shí)間延長(cháng)了一倍。不過(guò)一般的Flash存儲器中都有一特別制作的區塊，該區塊保證不會(huì )損壞，正好適用做交換緩沖區。這樣就可以省去中間交換緩沖過(guò)程的數據完整性檢驗，加快寫(xiě)操作的速度。 表1給出了在與MCS-51兼容的微處理器上本Flash文件系統實(shí)例，對Sumsung KM29U128 Flash存儲器(16KB/Block