SPI Flash M25P32 的TFFS文件系統的設計與實(shí)現

引言

在VxWorks的應用系統中，基于flash的文件系統通常都采用DOS+FAT+FTL的結構。

一般情況下，磁盤(pán)文件系統大多是基于sector的文件系統，磁盤(pán)按照物理上分為柱面、磁盤(pán)、扇區，扇區是基于塊的文件系統操作的基本存儲單位，磁盤(pán)的容量都是根據這些數據計算出來(lái)的，每個(gè)扇區大小通常都是512bytes。

VxWorks文件系統中的DOSFS是MS-DOS兼容的文件系統，可基于塊對物理介質(zhì)進(jìn)行操作。由于Flash的物理特性，對Flash作基于塊(不同于Flash的擦除塊)的操作必須由軟件作封裝實(shí)現，這就是TFFS所起的作用。

1 VxWorks文件系統的總體結構

VxWorks文件系統的總體結構以及TFFS在整個(gè)文件系統的位置如圖l所示。

Tomado下的TFFS文件系統是Tornado的一個(gè)可選組件，它可為種類(lèi)繁多的Flash設備提供一個(gè)統一的塊設備接口。在Tornado2.2版本中自帶的TFFS版本為2.0，在文件系統中，TFFS的功能相當于磁盤(pán)驅動(dòng)，通過(guò)TFFS可使上層的DOSFS或RTll文件系統像操作普通的標準磁盤(pán)一樣來(lái)操作Flash。

2 TFFS文件系統的分層

圖2所示為T(mén)FFS文件系統的分層圖。圖中的Core Layer內核層可將其他層連接起來(lái)協(xié)同工作；翻譯層主要實(shí)現DOS和TFFS之間的交互、管理文件系統和Flash各個(gè)物理塊的關(guān)系，同時(shí)支持TFFS的各種功能，如磨損均衡、錯誤恢復等；MTD層執行底層的程序驅動(dòng)(map、read、write、erase等)；socket層的名稱(chēng)來(lái)源于可以插拔的socket存儲卡，主要提供與具體的硬件板相關(guān)的驅動(dòng)。

3 FTL層分析

FTL是TFFS文件系統的核心，它是PCMCIS的一項標準，意思是Flash Translation Laycr Specification，這種類(lèi)型的文件系統是目前嵌入式系統中最流行的，很多公司都提供這種文件系統的相關(guān)解決方案。

PTL為DOS BPB／FAT與Flash之間的中間層，FTL利用現成的基于塊的文件系統(例如DOSFS)來(lái)實(shí)現應用層的操作，實(shí)質(zhì)上就是在Flash設備上模擬磁盤(pán)塊設備的實(shí)現，為基于塊的文件系統提供統一的接口。FTL通過(guò)以下幾步來(lái)模擬磁盤(pán)驅動(dòng)：首先是在Flash擦除塊之外定義小的讀寫(xiě)塊(相當于磁盤(pán)扇區)；其次是邏輯扇區(對塊文件系統如DOSFS呈現的地址)和物理地址(Flash的實(shí)際地址)之間的轉換；然后管理Flash，使得能在空閑的地方寫(xiě)入數據。其核心就是將DOS上的扇區映射到Flash上去。

為了實(shí)現DOS層從邏輯上看扇區是連續的，可隨時(shí)對任意bit讀寫(xiě)操作，FTL必須提供對Flash芯片的管理，包括向上層(DOS層)提供可以任意讀寫(xiě)的操作接口，向下對Flash的擦除、寫(xiě)入、讀取統一管理，同時(shí)還必須提供磨損均衡，以防止一個(gè)擦除塊提前損壞。

3.1 FTL的啟動(dòng)過(guò)程分析

在我們調用函數tffsDevCreate創(chuàng )建TFFS文件系統時(shí)，會(huì )以參數FL_MOUNT_VOLUME調用函數flcall→mountvolume→flmount→mountFTL，函數mountFTL是FTL層的加載函數人口，處理過(guò)程首先是初始化FTL，然后就可按下列步驟進(jìn)行：

(1)查找第一個(gè)合法的unit頭信息

合法性的判斷依據是unit header頭上的標志CISF．．FTL100和部分頭部的flag信息，由于bsp已把FS的相關(guān)信息注冊到FTL的數據結構中，所以，FTL層可以找到第一塊unit，并可以向后查，直到找到合法的unit為止。

(2)檢驗信息合法性

將所有有用的信息都讀出到內部數據結構中后，即可檢驗信息合法性。由于unit header中的Unit ID和擦除次數都相同，所以整個(gè)文件系統的共用信息都可以從首先找到的頭中讀出來(lái)。

(3)給Mount每一個(gè)unit建立page表

這是mount最重要的過(guò)程，對每個(gè)unit調用mountunit()函數，并在mountunit()函數中首先判斷，如果是非法unit，則作為交換unit，然后對每個(gè)BAM選項進(jìn)行處理，并對垃圾B(niǎo)AM、空閑BAM進(jìn)行統計，如果是緩沖的BAM數據和交換page的VBM，則將此page的邏輯扇區信息記錄到內存的page表中，以便后續映射訪(fǎng)問(wèn)查詢(xún)使用，而對于非緩沖的BAM數據，則不作處理，另外，對于交換page的VBM，則進(jìn)行記錄?？紤]到上述過(guò)程，可見(jiàn)其系統中的page VBM和緩沖的數據BAM分布在各個(gè)unit的各個(gè)角落，需要將所有的VBM和緩沖數據BAM收集起來(lái)建立整個(gè)交換page表，這是FTL標準層設計時(shí)就要決定的。

(4)檢驗邏輯unit的完整性

當所有的unit都mount完成后，每個(gè)邏輯unit都應存在，否則mount失敗。

(5)判斷并關(guān)閉交換page

如果系統中已存在交換page，則對系統中存在的交換page進(jìn)行關(guān)閉操作，以便后面檢查page的完整性。

(6)檢查page的完整性

系統中的page表必須是完整的，這個(gè)表中包含有緩沖的數據BAM映射信息和更重要的page映射信息，因此，缺少任何一個(gè)，都將導致DOS的虛擬扇區無(wú)法映射到相應的邏輯扇區。

從上述過(guò)程可見(jiàn)，整個(gè)mount過(guò)程是將文件系統信息讀入內存數據結構并檢驗的過(guò)程，這個(gè)Mount PTL過(guò)程完成后，mountvolume ()函數即將隱蔽的0扇區和DOS的啟動(dòng)扇區信息讀入內存數據結構，這樣，DOS就可以訪(fǎng)問(wèn)FTL底層扇區了。

3.2 TFFS的塊映射

圖3中，FTL層將DOS上連續的扇區映射到Flash上某個(gè)R／W block塊中，同時(shí)在某個(gè)位置記錄一個(gè)映射表(稱(chēng)為MAP表)，該表中記錄了DOS的扇區映射到Flash中的哪個(gè)block，當DOS要進(jìn)行讀操作時(shí)，FTL首先查詢(xún)這個(gè)MAP，以獲得映射信息，然后讀取相應的block信息并返回給DOS，從而實(shí)現讀映射。當DOS需要寫(xiě)入操作時(shí)，可能存在將bit0修改為1的情況，于是FTL層將申請一個(gè)新的block塊，并將新信息寫(xiě)入，然后修改map信息，記錄這個(gè)DOS扇區已經(jīng)重新映射了，從而實(shí)現寫(xiě)映射。所以，從邏輯上看，FTL層就實(shí)現了DOS扇區的映射和FLASH的寫(xiě)入管理。

3.3 垃圾收集過(guò)程

FTL格式化后，可用扇區將被不斷申請使用，原有扇區被不斷的廢棄，系統中可用的free扇區越來(lái)越少，但這并不是由于上層DOS真的使用了這么多扇區，而是FTL為了方便管理、為了不需要每次擦除一塊而付出的管理代價(jià)。所以，當系統中的可用扇區少于用戶(hù)要申請寫(xiě)入的扇區時(shí)，FTL層就必須解決這些垃圾問(wèn)題，這個(gè)過(guò)程在FTL中稱(chēng)為垃圾回收(garbage collect)。

當FTL中的可用sector小于用戶(hù)要申請的扇區時(shí)，系統將啟動(dòng)垃圾收集，但系統中有很多個(gè)unit，到底收集哪個(gè)unit呢?FTL會(huì )考慮磨損均衡，它將采用一個(gè)偽隨機的算法來(lái)決定收集策略：即用4／256的幾率選擇磨損情況少的塊來(lái)收集；252／256的幾率則根據垃圾最多為第一條件，當垃圾一樣時(shí)，判斷磨損次數小的優(yōu)先選擇。

3.4 FFL創(chuàng )建的DOS

TFFS的格式化函數需要調用tffsDevFormat來(lái)格式化，而不需要調用dosFsVolFormat來(lái)格式化；另外，在tffsDevFormat格式化參數中，需要傳人的參數含有FAT個(gè)數參數，其原因是DOS是FTL層創(chuàng )建的，而不是在FTL基礎上創(chuàng )建的，下面是TFFS的整個(gè)格式化過(guò)程：

tffsDevFormat→flcall(FL_FORMAT_VOLUME)→formatVolume→Format→formatFTL；

其中，函數formatFTL是執行FTL層格式化的操作函數，操作時(shí)，首先根據格式化參數和BSP參數對內部數據結構初始化；然后再對每個(gè)unit進(jìn)行格式化，在擦除后，即可寫(xiě)入unitheader信息和控制BAM值；之后寫(xiě)入unit No；最后申請每個(gè)page的空間；

上述formatFTL函數執行完以后，FTL就已經(jīng)準備好，可以接受上層的扇區讀寫(xiě)函數了(當然還沒(méi)有內容可以讀寫(xiě))。

在函數formatVolume中，mount可進(jìn)行卷操作，當內存的數據結構準備好后，FTL層即可調用函數flDosFormat來(lái)創(chuàng )建DOS。其中首先創(chuàng )建隱藏扇區，以用于記錄該卷的部分信息，然后分別創(chuàng )建MBR、FAT和ROOT目錄；這樣，DOS創(chuàng )建完成后，再執行dosFsDevCreat函數，當然就無(wú)須格式化，找到0扇區自然就找到了MBR，因為DOS是FTL創(chuàng )建的。

從更深層次講，FTL層之所以創(chuàng )建DOS層，是因為只有FTL層才知道有哪些扇區是可以供DOS使用的，哪些扇區是DOS不能使用的(作為FTL層管理使用)，也正是因為DOS層不了解FTL層的運作情況，所有的扇區映射關(guān)系都被FTL層隱蔽，因而導致DOS層無(wú)法在上層作出有利于Flash擦寫(xiě)等優(yōu)化動(dòng)作，如大文件寫(xiě)入時(shí)的字節數更新，FAT表更新等操作，都會(huì )嚴重浪費FTL層的映射關(guān)系運算。

4 基于M25P32 SPI Flash的TFFS設計

對于TFFS的實(shí)現，涉及到config.h、sysTffs.c、tffsConifg.c、tffsMtd.c、Makefile幾個(gè)文件的配置和修改，其中編譯是通過(guò)建立一個(gè)downloadalbe的tomado工程，來(lái)把這幾個(gè)．c源文件編譯進(jìn)去生成．pl文件提供給bsp工程，而后由bsp工程把．pl文件編譯進(jìn)去，從而生成bootable image。

4.1 Config．h的相關(guān)配置

要在vxworks映像中加入TFFS文件系統，需要加入相關(guān)的組件，雖然也可以在該文件中直接加入相應的配置宏，但很容易造成遺漏和有些需要依賴(lài)的宏沒(méi)有定義或者沖突，本文采用的方法是建一個(gè)bootable的tornado工程，而后在這個(gè)工程中通過(guò)加入TFFS和DOSFS的相關(guān)組件來(lái)編譯這個(gè)工程，從而生成一個(gè)prjParams．h文件，該文件里就包含了剛剛加入的組件對應的宏，因而，組件與組件之間依賴(lài)也是安全的，不會(huì )有任何沖突，最后再在Config．h中包含這個(gè)文件即可。

4.2 sysTffs．c文件的修改

該文件用于提供socket層的bsp實(shí)現代碼。如果鏡像文件包含TFFS相關(guān)組件，那么，系統啟動(dòng)時(shí)就會(huì )按照如下過(guò)程自動(dòng)調用sysTffsInit()函數：

usrRoot()→tffsDrv()→flInit()→flRegisterComponent ()→sysTffslnit ()

sysTffsInit ()函數會(huì )依次調用socket注冊函數simmRegisterOfsl ()，注冊函數數量視需要構建的文件系統數量而定，本文構建了1個(gè)文件系統ofsl，并在simmRegisterOfsl()函數中對文件系統的基地址進(jìn)行了設置，同時(shí)對FLSocket()結構體中的毀掉處理函數進(jìn)行了掛接，掛接函數也在該文件中實(shí)現，如卡上電、斷電、寫(xiě)保護等。

對sysTffsFormaOfsl()函數的格式化參數可根據自己的需要進(jìn)行修改。

4.3 tffsConfig．c和tffSMtd．c文件的修改

tffsConfig．c文件的修改就是在mtdTalbe []表中注冊Flash識別函數iUnifiedIdentifyOfsl()；而tffsConfig．c文件則用于實(shí)現iUnifiedldentifyOfsl()函數，iUnifiedIdentifyOfsl()函數對FLFlash結構體中的回調函數進(jìn)行了掛接，如flash的讀、寫(xiě)、擦除等，掛接函數的具體實(shí)現可在Dry_MvSFlash．cpp文件中以一個(gè)類(lèi)的方式提供針對M25P32 spi Flash操作的所有驅動(dòng)接口。

4.4 TFFS文件系統的安裝

通過(guò)上面的過(guò)程，socket層和mtd層就都準備好了，下面便可以安裝tffs文件系統。安裝時(shí)，首先用sysTffsFormatOfsl()函數按照上面設定的參數格式化TFFS文件系統，而后通過(guò)usrTffsConfig(0，0，”ofsl”)函數接口在已建好的TFFS上掛接DOS文件系統，成功后，即可通過(guò)open、read、write等來(lái)操作Flash上的文件系統，也可以通過(guò)FTP方式用IE訪(fǎng)問(wèn)該文件系統中的內容。

4.5 Makefile文件的修改

對于Makefile的修改非常簡(jiǎn)單，因為幾個(gè)和TFFS相關(guān)的源文件都是以．pl的方式被鏈人bsp工程的，所以只需要在makefile文件中把這個(gè)文件加入即可，即在makefile中加了如下的宏定義：

MACH_EXTRA+=．．／ArmPri／ARMARCH5gnu／ArmBspPrj．pl

5 結束語(yǔ)

本文對VxWorks下TFFS文件系統的層次結構和FTL層的啟動(dòng)過(guò)程、塊映射算法、垃圾回收算法以及用FTL創(chuàng )建DOSFS進(jìn)行了分析，給出了在M25P32 SPI Flash上創(chuàng )建TFFS文件系統和將TFFS掛在DOSFS的實(shí)現方法。通過(guò)對TFFS核心層FIL的分析給出的TFFS實(shí)現方法，可以從更基礎的層面來(lái)認識VxWorks中的TFFS文件系統，從而給TFFS文件系統的問(wèn)題定位和實(shí)現帶來(lái)新的方法。