嵌入式系統中的Flash存儲管理

關(guān)鍵詞：嵌入式系統 Flash FMM

引言

在當前數字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)高速發(fā)展的后PC（Post-PC）時(shí)代，嵌入式系統已經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設計、軍事技術(shù)、各類(lèi)產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文件藝術(shù)、娛樂(lè )業(yè)以及人們的日常生活等方方面面中。隨著(zhù)嵌入式系統越來(lái)越廣泛的應用，嵌入式系統中的數據存儲和數據管理已經(jīng)成為一個(gè)重要的課題擺在設計人員面前。

Flash存儲器作為一種安全、快速的存儲體，具有體積小、容量大、成本低、掉電數據不丟失等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)逐步取代其它半導體存儲元件，成為嵌入式系統中主要數據和程序載體。

作為嵌入式系統的一部分，Flash存儲管理的主要功能是針對Flash自身的物理特性，利用一些特定的算法來(lái)提高Flash的使用效率，加快操作速度和管理Flash各單元的使用頻率。

1 Flash存儲器簡(jiǎn)介

嵌入式系統中使用的Flash主要分為NOR和NAND兩種類(lèi)型。這里我們以NOR型Flash為例進(jìn)行介紹。NOR型Flash主要特點(diǎn)如下：

*體積小、容量大，目前可以達到十幾MB。

*掉電數據不丟失，數據可以保存10～100年。

*有獨立的地址和數據總線(xiàn)，可以快速地通過(guò)總線(xiàn)讀取數據。因此它具有和靜態(tài)RAM相同的讀取速度，既可以作為數據存儲器也可以作為程序存儲器使用。

*寫(xiě)入操作必須通過(guò)指令序列來(lái)完成，以字節（Byte）或字（Word）為單位，每寫(xiě)入一個(gè)Byte或Word需十幾μs。

*擦除也通過(guò)指令序列完成，以塊（Block）為單位，通常塊的大小為64K。每擦除一個(gè)塊需要十幾ms。

*由于Flash有一定的使用壽命，一般為10～100萬(wàn)次。所以隨著(zhù)使用次數的增加，會(huì )有一些單元逐漸變得不穩定或失效，因此必須能夠對其狀態(tài)加以識別。

2 Flash存儲管理的作用

由Flash特點(diǎn)可以看出，操作Flash需要注意以下幾點(diǎn)：

*必須以幾K～幾十K的塊為單位進(jìn)行數據的操作；

*擦除操作耗時(shí)較多，應減少擦除操作；

*盡量避免頻繁地對同一地址操作，以免造成局部單元提前損壞。

另外，大部分嵌入式操作系統所掛接的文件系統是建立在以扇區（Sector）為單位的磁盤(pán)操作基礎上（通常為512字節/扇區）。因此也需要一段特殊的Flash存儲管理程序來(lái)解決以扇區為單位的文件系統接口和以塊為單位的Flash物理特性之間的矛盾；同時(shí)，完成各塊之間的擦寫(xiě)次數均衡和壞塊管理等工作。Flash存儲管理程序在系統中的位置如圖1所示。

本文以TRI公司的FMM為例，說(shuō)明Flash存儲管理模塊和如何完成這些功能的。

3 FMM介紹

FMM（Flash Media Manager）是由TRI公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)針對NOR型Flash的管理軟件，其主要特點(diǎn)如下：

*動(dòng)態(tài)映射OS的邏輯扇區到物理地址；

*所有物理塊進(jìn)行壽命均衡，同時(shí)可記錄Flash的擦寫(xiě)次數；

*掉電數據恢復，可以保證系統的穩定性；

創(chuàng )建壞塊表進(jìn)行壞塊管理，保證系統的可靠性。

為了更好地介紹FMM的操作流程，這里先作幾點(diǎn)說(shuō)明。

（1）存儲空間管理

為了實(shí)現以扇區為基礎的數據管理，FMM首先對Flash中的塊內存儲空間邏輯上進(jìn)行了重新定義，每個(gè)物理塊內部又重新劃分成了若干物理扇區。每個(gè)物理塊內部又重新劃分成了若干物理扇區。每個(gè)物理扇區由512+4字節=516（0x204）字節組成。512字節為有效數據空間，另外4字節（32位）用于存放邏輯扇區另和當前狀態(tài)。定義如下：

扇區狀態(tài)有4種，用于進(jìn)行掉電數據恢復：

FREE―空扇區（0xF）；

DVALID―扇區數據無(wú)效（0xE）；

INUSE―扇區數據有效（0xC）；

DIRTY―扇區數據無(wú)用，可擦除（0x8）。

以64K大小的塊為例，可以計算出每個(gè)塊中可以劃分出127個(gè)扇區；另外，還會(huì )有4字節的空間，專(zhuān)門(mén)用于標志下一個(gè)被整理塊。標記為0x80，否則為0xffffffff。

因此可以得出物理扇區和絕對地址之間的對應關(guān)系：

絕對地址=Flash基地址+物理扇區號0x204+所在塊號4

（2）扇區分類(lèi)

FMM中將扇區分為ID扇區和數據扇區兩類(lèi)：

①FMM會(huì )占用N個(gè)扇區作為標識ID（Identification）扇區，占用邏輯扇區號0～N。這一部分扇區是文件系統不能使用的，是FMM用于管理所占用的存儲空間。因此文件系統所管理的邏輯扇區號必須從N+1開(kāi)始。

ID扇區主要包含如下數據：FMM版本號、寫(xiě)入（擦除）次數EraseCount、用戶(hù)標識和壞扇區表。

N的取值與壞扇區表的大小有關(guān)，每個(gè)FMM管理的物理扇區占用表中的1位。在每次存儲數據時(shí)，可以通過(guò)查詢(xún)表中的相應位來(lái)確定該扇區的有效性。

②數據扇區，用于存儲數據。

（3）空間映射表（Mapping Table）

由于Flash不能像普通磁盤(pán)那樣進(jìn)行字節的修改，甚至不能以扇區為單位進(jìn)行修改；而只能以塊為單位進(jìn)行修改；但如果只是簡(jiǎn)單將物理扇區和邏輯扇區一一對應，那么如果我們想對扇區修改就必須將整個(gè)塊的內容都擦除，然后再將修改后的內容回寫(xiě)；勢必會(huì )造成時(shí)間和Flash壽命的損失。因此，建立一個(gè)物理扇區號和邏輯扇區號的空間映射表，使邏輯扇區與物理扇區號進(jìn)行動(dòng)態(tài)的匹配。這樣，在修改某個(gè)扇區的內容時(shí)只要將數據寫(xiě)入一個(gè)新的扇區，然后將原扇區標記為DIRTY就可以了。這樣，還可以消除頻繁修改某個(gè)扇區帶來(lái)的壽命不均的影響。

映射表是建立在內存中的項數為M（扇區總數）的數組，每項占用4字節，用于存放對應的物理扇區號。當某項為空（NULL）時(shí)，認為該扇區空閑，未使用，如圖2所示。

4 FMM模塊操作

按功能，可以將FMM分解為4個(gè)基本模塊：格式化模塊、初始化模塊、存取模塊和空間整理模塊。以下簡(jiǎn)單掃描各模塊的操作流程。

（1）格式化模塊

對數據空間進(jìn)行初級格式化，建立ID扇區。該模塊在第一次使用數據盤(pán)之前調用，相當于低級格式化。過(guò)程如下：

①調用FMM初始化模塊，根據結果判斷該存儲體是否含有FMM控制信息。如果有，將擦除次數計數器EraseCount加1，否則置為1。

②調用Flash驅動(dòng)程序，將FMM所管理的空間全部擦除。

③將Block0的標志置為0x80，即下一個(gè)被整理的Block，也是第一個(gè)非空Block。

④收集有關(guān)信息，創(chuàng )建ID扇區寫(xiě)入Flash。

⑤在內存中創(chuàng )建空間映射表。

空間映射表的創(chuàng )建過(guò)程如下：

①清空內存中為映射表和ID扇區申請的空間。

②將Flash中的ID扇區內容讀入內存中。

③掃描整個(gè)物理空間，依次讀入每個(gè)物理扇區的狀態(tài)和邏輯扇區號，將狀態(tài)為INUSE的邏輯扇區號裝入空間映射表的對應位置，并記錄INUSE和DIRTY扇區的數目。

④修復掃描中發(fā)現的DAVLID扇區數據。

修復DAVLID扇區的過(guò)程如下：

①取出DVALID扇區的邏輯扇區號。

②如果邏輯扇區號為NULL，跳到步驟⑤。

③查詢(xún)空間映射表，如果對應的物理扇區號為NULL，跳到步驟⑤。

④將查到的物理扇區置為DIRTY。

⑤將DAVLID扇區置為INUSE，將其扇區號填入空間映射表。

（2）初始化模塊

該模塊在文件系統初始化之前調用，用于初始化FMM系統。

①從內存池中為ID扇區申請內存。

②從內存池中為空間映射表申請內存。

③在內存中創(chuàng )建空間映射表。

（3）存取模塊

該模塊是FMM與文件系統的接口，可以分為讀和寫(xiě)兩部分。

*讀數據過(guò)程：

①根據所要讀取的邏輯扇區號，查表找出其對應的物理扇區號；

②根據物理扇區號計算出物理地址；

③讀出該扇區數據；

④如需讀多個(gè)扇區，重復步驟①～③。

*寫(xiě)數據流程；

Flash存儲器中“寫(xiě)入”是將對應單元由“1”變“0”，“擦除”是由“0”變?yōu)椤?”。因此，無(wú)須擦除就可以將狀態(tài)FREE（0xF）依次“寫(xiě)”為DVALID（0xE）、INUSE（0xC）、DIRTY（0x8），如圖3所示。

（4）空間整理模塊

由于在寫(xiě)入操作中產(chǎn)生dirty扇區，因此當自由空間不足時(shí)，需要對空間進(jìn)行整理，釋放dirty扇區占用的空間用于存儲數據，流程如圖4所示。

根據圖4可以看出，整理的過(guò)程實(shí)際是將有用扇區依次搬到空扇區中，再擦除舊塊的過(guò)程，因此需要一個(gè)空塊用作數據交換。

5 FMM性能分析

*讀出速度：讀取速度基本與Flash的讀速度相同。

*寫(xiě)入速度：寫(xiě)入操作速度與Flash的寫(xiě)入速度基本相同。

*整理速度：空間整理上由于算法的限制會(huì )耗費很長(cháng)的時(shí)間，最好挑選除速度較快的Flash來(lái)進(jìn)行配合使用；或者可以采用其它的算法來(lái)進(jìn)行空間整理，但會(huì )使壽命均衡有所減弱，必須根據具體的應用來(lái)選取適合的方案組合才能達到最好的效果。

*文件系統可用空間：由于FMM占用了一部分空間，因此實(shí)際文件系統可用空間小于Flash的實(shí)際物理空間。

文件系統可用空間=Flash總空間-ID扇區空間-1個(gè)用于整理的保留塊空間。