嵌入式系統中閃存設備I/O軟件的設計與實(shí)現

摘 要 閃存作為最常用的嵌入式存儲設備，其管理和訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)對整個(gè)系統的性能有著(zhù)較大的影響。目前嵌入式系統中廣泛采用的閃存管理軟件在可移植性、靈活性方面都存在不足。因此本文在分析了這些管理軟件現存問(wèn)題的基礎上提出了一種比較合理的閃存I/O軟件分層結構，并通過(guò)對軟件的模塊化設計與實(shí)現證明了該分層結構在移植性、通用性方面的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞 嵌入式系統 閃存 I/O軟件 策略與機制分離

1、引言
隨著(zhù)嵌入式系統應用領(lǐng)域的不斷擴大，系統復雜性也在不斷提高。閃存作為廣泛使用的嵌入式存儲設備，其管理技術(shù)和訪(fǎng)問(wèn)方式經(jīng)歷了一個(gè)由開(kāi)發(fā)人員直接控制到由操作系統的I/O軟件間接控制的過(guò)程。然而目前現有的這些閃存管理方案都不能提供一種方便、統一且移植性好的I/O軟件接口，增加了嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)周期。因此，本文旨在針對一般的嵌入式應用，設計并實(shí)現一種更合理的閃存I/O軟件。該軟件遵循策略與機制分離的原則，采用分層的體系結構，能夠更好得適應底層硬件的變化，可大大提高代碼的可移植性。

2、閃存設備管理技術(shù)的現狀及存在的問(wèn)題
閃存設備不同于一般的非易失性存儲設備，它有很多特殊的存取特性，其中最主要的是在執行寫(xiě)入操作之前必須先擦除目標單元的內容[1]。因此，閃存設備的管理最基本也應該包含對讀、寫(xiě)操作以及擦除操作的控制。

對于那些用于工控領(lǐng)域的嵌入式系統，由于它們沒(méi)有配置操作系統，整個(gè)系統的軟件部分僅由主控程序和一些輔助功能例程構成，所以用戶(hù)只能通過(guò)系統提供的閃存讀寫(xiě)例程直接對閃存進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，同時(shí)擦除操作執行的時(shí)機也需要由用戶(hù)自己控制。這樣一來(lái)，訪(fǎng)問(wèn)閃存的應用程序就必須了解閃存的物理特性，如尺寸、擦除塊的地址、大小和操作時(shí)間等，從而增加了開(kāi)發(fā)難度，降低了代碼的可移植性。此外，由于閃存的無(wú)結構性，應用程序還需要自己管理存儲空間，并按照需要構造數據的存儲格式[2]。

而對于那些配置了操作系統的復雜嵌入式系統（例如嵌入式Linux系統），閃存設備的管理則主要是通過(guò)操作系統中的I/O軟件來(lái)實(shí)現。該I/O軟件遵循Linux通用設備的管理方法[3]，實(shí)現了字符訪(fǎng)問(wèn)與塊訪(fǎng)問(wèn)的接口，為應用程序訪(fǎng)問(wèn)閃存提供了一個(gè)通用接口。但問(wèn)題是，該方案在設計軟件結構時(shí)沒(méi)有很好地遵循策略與機制分離的原則，從而使得軟件結構的層次不夠分明，模塊化程度不高。

另外，在嵌入式Linux系統中還有一種與使用閃存相關(guān)的技術(shù)，即Ramdisk[4]技術(shù)。準確地說(shuō)，該技術(shù)不涉及閃存的管理問(wèn)題，而是一種通過(guò)將計算機的 RAM 用作設備來(lái)創(chuàng )建和掛裝文件系統的機制。本文在此提及該技術(shù)的原因是它能夠幫助只含閃存和RAM的嵌入式系統使用文件系統（主要指ext2fs類(lèi)型），并且該技術(shù)的存在大大降低了嵌入式系統對閃存的訪(fǎng)問(wèn)操作，從而簡(jiǎn)化了系統對閃存的管理。但是，由于Ramdisk技術(shù)不能直接在閃存上使用文件系統，使得修改后的數據不能立刻保存到閃存中，所以在系統異常時(shí)容易造成數據的丟失。

經(jīng)過(guò)分析，我們發(fā)現上述三種方法在閃存管理方面各有優(yōu)缺點(diǎn)并各有適用范圍。但是隨著(zhù)JFFS這種閃存專(zhuān)用文件系統的出現和不斷完善以及嵌入式Linux操作系統應用的不斷深入，越來(lái)越多的嵌入式系統開(kāi)始采用第二種方式管理閃存設備。該方案在一定程度上簡(jiǎn)化了應用程序對閃存的訪(fǎng)問(wèn)操作，但由于其不清晰的軟件結構造成了軟件移植性能差的缺點(diǎn)。

3、閃存設備I/O軟件的分層結構
為了解決上述第二種閃存管理軟件存在的問(wèn)題，我們在遵循策略與機制分離原則的基礎上，設計出一種更合理的閃存I/O軟件體系結構。具體內容如下（圖1）：

圖1 閃存I/O軟件體系結構

我們設計的閃存I/O軟件自下而上被劃分為四個(gè)層次，分別為硬件驅動(dòng)層、原始設備層、設備層以及設備節點(diǎn)。其中硬件驅動(dòng)層代碼主要負責在系統啟動(dòng)時(shí)驅動(dòng)閃存硬件。從抽象層次上看，它是通過(guò)使用底層的硬件機制，建立了若干基本的使用閃存硬件的策略代碼。具體過(guò)程由芯片探測模塊和操作方法模塊來(lái)實(shí)現的。其中芯片探測模塊主要負責探測CFI接口閃存芯片的器件參數信息[5]，包括芯片大小、芯片編程電壓、編程時(shí)間、擦除時(shí)間、擦除區域分布情況等，并利用這些信息創(chuàng )建出描述芯片物理特性的數據結構。而操作方法模塊則負責實(shí)現最基本的閃存讀、寫(xiě)及擦除例程。該模塊在芯片探測模塊的基礎上，利用硬件的物理信息就能夠實(shí)現特定閃存芯片的管理和訪(fǎng)問(wèn)方法。

接下來(lái)原始設備層代碼就把閃存存儲區從軟件上劃分為幾個(gè)不同的區域，并用設備的概念對各分區進(jìn)行軟件上的封裝，使每個(gè)分區設備都擁有包含自身信息的數據結構及設備操作例程。這樣設計的原因，一方面是為了模擬硬盤(pán)的物理分區，方便系統對閃存的管理和使用；另一方面又為上層軟件以字符方式和塊方式訪(fǎng)問(wèn)閃存提供了基礎。具體過(guò)程需要通過(guò)原始設備實(shí)現模塊、設備分區實(shí)現模塊來(lái)實(shí)現，而閃存配置管理模塊則為開(kāi)發(fā)人員根據自身需要任意劃分閃存分區提供了配置接口，提高了系統的靈活性。需要說(shuō)明的是這三個(gè)模塊的實(shí)現具有一定的依賴(lài)關(guān)系，其中箭頭的起始端模塊要依賴(lài)于該箭頭指向的模塊。

接著(zhù)閃存設備層代碼在低層軟件分區的基礎上，用字符設備和塊設備兩種方式來(lái)使用閃存原始設備。具體說(shuō)，該層主要實(shí)現字符設備與塊設備的通用接口例程，即文件操作的通用方法，如打開(kāi)、關(guān)閉、定位、讀、寫(xiě)等。

最后，閃存設備節點(diǎn)層是為了方便應用程序以文件形式訪(fǎng)問(wèn)閃存設備而創(chuàng )建的設備節點(diǎn)。它的實(shí)現并不需要軟件代碼。

4、閃存設備I/O軟件的實(shí)現
嵌入式開(kāi)發(fā)一般都采用主機與目標板相結合的交叉開(kāi)發(fā)方式。因此我們的目標板采用的是Motorola公司基于PowerPC860T處理器的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )通信設備開(kāi)發(fā)板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為NE860）。NE860板上配備有4M NOR型閃存和16M RAM作為存儲器，其中閃存采用的是兩片Intel TE28F160B3T的芯片。主機是一臺運行Redhat 7.2 的PC機，該主機上還安裝有Montavista 嵌入式Linux（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MVL）作為實(shí)現閃存I/O軟件的載體。具體實(shí)現過(guò)程如下：

(1) 硬件驅動(dòng)層
由于NOR型閃存芯片的接口不同與一般基于端口的外部設備，不能夠被清晰地劃分為幾個(gè)不同用途的端口寄存器；該接口只包括了幾條控制信號線(xiàn)，一組數據線(xiàn)和一組地址線(xiàn)。這樣一來(lái)，閃存的數據讀寫(xiě)操作以及命令寫(xiě)入和狀態(tài)查詢(xún)操作都需要在同一組數據線(xiàn)上進(jìn)行。同時(shí)由于完備的地址線(xiàn)能夠讓系統對芯片內的每個(gè)字節進(jìn)行尋址，于是閃存的擦除、寫(xiě)入等基本操作就可以通過(guò)向特定地址寫(xiě)入特定命令序列[6]的方式來(lái)實(shí)現的。因此我們的系統在遵循各種操作的特定指令序列[6]基礎上，結合特定芯片的物理信息（保存在專(zhuān)用數據結構struct cfi_private中）實(shí)現了閃存的讀、寫(xiě)、擦除和同步操作。

（2）原始設備層
原始設備層的主要功能是在硬件基礎上把閃存芯片抽象為設備。為了實(shí)現這一目標，系統首先要把所有的閃存芯片抽象為一個(gè)閃存主原始設備，然后再根據用戶(hù)的分區劃分要求（通過(guò)管理配置模塊獲得）把主原始設備從軟件上劃分為多個(gè)分區設備。這樣一來(lái)，分區設備的大部分參數信息實(shí)際上都來(lái)自于主原始設備，并且分區設備的操作函數也都來(lái)自于主原始設備的操作函數。而這些操作的實(shí)現是通過(guò)調用底層的基本操作完成的。

（3）設備層
閃存設備層主要用來(lái)實(shí)現字符設備與塊設備的通用接口例程，其中字符設備的各種操作都比較容易實(shí)現。這里我們著(zhù)重介紹一下塊設備的實(shí)現。在Linux中，由于塊設備的讀寫(xiě)請求都是基于扇區（512字節）的，而閃存設備卻不存在物理上的扇區結構，只有擦出塊的概念。況且在通常情況下擦除塊的尺寸都小于512字節，這樣一來(lái)就存在一個(gè)如何把基于扇區的讀寫(xiě)操作映射到適當的擦除塊上的問(wèn)題。由于塊設備主要是為了支持在閃存上創(chuàng )建文件系統，所以該問(wèn)題的解決我們就借用了JFFS文件系統中有關(guān)的設計思想（由于篇幅所限這里不詳述）。

5、系統測試及數據分析
為了驗證該閃存I/O軟件的可移植性和正確性，我們做如下的分析和測試。第一：通過(guò)統計閃存I/O軟件中設備相關(guān)代碼及設備無(wú)關(guān)代碼的比例，說(shuō)明該實(shí)現方案的可移植性；第二：通過(guò)對閃存I/O軟件子系統一些典型性能指標的測試，說(shuō)明該I/O軟件結構設計的正確性和有效性。

（1）閃存I/O軟件可移植性的驗證：
從理論上講，只有硬件設備驅動(dòng)層的一部分代碼是與設備相關(guān)的，而原始設備層和設備層代碼都是設備無(wú)關(guān)的。于是，我們得出如下（表1）的統計結果。在新的I/O軟件實(shí)現方案下，閃存設備相關(guān)代碼為35KB，占總代碼量的24.1%；設備無(wú)關(guān)代碼為110KB，占總代碼量的75.9%。由此可見(jiàn)，我們的實(shí)現方案具有很好的移植性，能夠有效地提高嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度和質(zhì)量。

表1 閃存I/O軟件各部分代碼尺寸

（2）閃存I/O軟件有效性的驗證：
I/O軟件的一個(gè)重要性能指標是設備的數據吞吐率。當應用程序訪(fǎng)問(wèn)閃存設備文件時(shí)，由于每次讀/寫(xiě)請求的數據長(cháng)度不同，使得設備的瞬時(shí)吞吐率也不同。由于我們的I/O系統實(shí)現了閃存設備的兩種管理方式：字符設備和塊設備，因此下面我們首先針對字符設備方式測試它的讀/寫(xiě)吞吐率（見(jiàn)圖2和圖3）。

圖2 字符設備讀吞吐率

圖3 字符設備寫(xiě)吞吐率

通過(guò)分析圖2、圖3的數據我們發(fā)現，當系統從閃存設備中讀取或寫(xiě)入小塊數據時(shí)，吞吐率會(huì )隨著(zhù)請求數據長(cháng)度的增加而增大；但是當請求數據長(cháng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，讀/寫(xiě)吞吐率近似都穩定在一個(gè)固定值上。

為了進(jìn)一步驗證上述規律，我們又按照33%的寫(xiě)請求和67%的讀請求比例，對各種請求數據長(cháng)度進(jìn)行了10次讀/寫(xiě)混合操作測試，其結果如圖4所示。由此可看出，在請求數據長(cháng)度大于512KB之后，讀寫(xiě)混合的數據吞吐率穩定在3.59MB/S上，這一結果與圖2和圖3所示結果完全一致。并且該吞吐率變化規律符合常見(jiàn)嵌入式應用中閃存的讀、寫(xiě)特性，其指標也基本上能夠達到應用需求。

圖4 字符設備讀寫(xiě)平均吞吐率

對于塊設備方式，我們主要測試基于閃存文件系統的一些典型文件操作性能。其結果如表2所示。該表的第一列代表了執行的文件操作，其中create和wirte代表創(chuàng )建文件并向該文件寫(xiě)入X個(gè)字節數據的操作；open和read則代表打開(kāi)文件并從該文件讀出X個(gè)字節數據的操作。X的大小按照表中第一行數值的變化而變化。測試數據表明閃存I/O軟件塊設備功能是正確和有效的。

表2 典型文件操作時(shí)間代價(jià)

6、結束語(yǔ)
本文在分析了嵌入式系統現有的各種閃存管理技術(shù)缺點(diǎn)的基礎上，設計并實(shí)現了一種分層合理、模塊劃分清晰且移植性好的閃存I/O軟件。系統的測試數據表明，該I/O軟件能夠實(shí)現對閃存設備的基本管理和訪(fǎng)問(wèn)，可以滿(mǎn)足一般嵌入式系統對數據存儲器的應用需要。另一方面，由于硬件平臺的資源所限，我們只實(shí)現了對NOR型閃存的管理；隨著(zhù)性能更優(yōu)的NAND型閃存的廣泛使用，我們下一步的工作就是要將上述軟件代碼移植到NAND型閃存器件上，進(jìn)一步檢驗該軟件的性能。

參考文獻
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