基于Flash存儲器的嵌入式文件系統設計
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首先，將未保存于隊列中的節點(diǎn)保存，清未保存隊列。 然后將塊隊列中的所有文件節點(diǎn)轉移到空簇中，同時(shí)將文件路徑上的各級目錄加入到未存盤(pán)隊列中。對于塊隊列中的目錄節點(diǎn)，則將它和其路徑上的各級目錄加入未存盤(pán)隊列中，按照未保存隊列的順序，依次將各個(gè)目錄寫(xiě)入Flash 中，最后寫(xiě)入最新的索引節點(diǎn)。因為目錄節點(diǎn)加入未存盤(pán)隊列時(shí)，按照目錄層數的大小排列，所以按照未保存隊列的順序寫(xiě)入時(shí)，可以保證當一個(gè)目錄要被寫(xiě)入Flash 時(shí)，它的所有下級目錄已被寫(xiě)入Flash 中。 所有下級目錄在Flash 中的存儲地址都已確定。當該文件系統的空間將達到存儲上限時(shí)，可能會(huì )出現特殊情況，即廢簇回收時(shí)，空簇的空間不足，無(wú)法將所有干凈簇重寫(xiě)。文件系統為此建立了應急機制，先將文件節點(diǎn)內容存在內存中，這時(shí)新建一個(gè)臨時(shí)未保存隊列，專(zhuān)門(mén)保存文件節點(diǎn)，在塊擦寫(xiě)完成后，將剩余的文件節點(diǎn)寫(xiě)入新的空簇中，其算法與圖7 所示流程大致相同。 但是，一旦在擦寫(xiě)時(shí)斷電，會(huì )導致該塊上的所有數據丟失。
斷電錯誤處理機制
當系統遭遇斷電重新啟動(dòng)后，索引節點(diǎn)中的信息會(huì )與系統中的狀態(tài)不符，這時(shí)便需要錯誤處理機制。 錯誤一般是索引節點(diǎn)中標注的空簇已被寫(xiě)入了數據，錯誤處理就是將此簇標志為臟簇，并查找下一個(gè)空簇重新寫(xiě)入。
多任務(wù)處理機制
該文件系統允許同時(shí)打開(kāi)多個(gè)文件，在多任務(wù)操作系統下，為了避免沖突建立了多任務(wù)處理機制。系統允許打開(kāi)的多個(gè)文件在內存中同時(shí)被編輯修改，但是對Flash 寫(xiě)入操作有限制。 處理方法是設立Flash 寫(xiě)入保護區，在此區中只允許當前正在執行的任務(wù)執行Flash 寫(xiě)入操作。 實(shí)現Flash 寫(xiě)入保護區的方法是建立一個(gè)初始值為1 的信號量，當一個(gè)節點(diǎn)需要Flash 寫(xiě)入時(shí)，首先申請信號量，完成后再釋放信號量。 Flash 寫(xiě)入保護區見(jiàn)圖6 、圖7。在圖6 中，空操作語(yǔ)句是用來(lái)對多個(gè)文件的保存進(jìn)行同步。 例如，有文件1 和文件2 需要保存，先將文件1 的內容寫(xiě)入Flash 中，文件1 路徑下的目錄節點(diǎn)被添加到未保存隊列中，再將文件2 的內容寫(xiě)入Flash 中，文件2 路徑下的目錄節點(diǎn)也被添加到未保存隊列中，最后將未保存隊列中的所有節點(diǎn)都寫(xiě)入Flash 中。這樣，如果同一路徑下的兩個(gè)文件同時(shí)存盤(pán)，可避免路徑下的相同目錄節點(diǎn)被寫(xiě)入兩次，從而提高了效率。不足之處在于，如果很多文件同時(shí)存盤(pán)，會(huì )導致索引節點(diǎn)在一段時(shí)間內都無(wú)法寫(xiě)入Flash 存儲器，有斷電丟失的危險。但對于一般嵌入式系統來(lái)說(shuō)，很少會(huì )碰到這種情況。當進(jìn)行Flash存儲器擦寫(xiě)時(shí)，在取塊隊列首節點(diǎn)至索引節點(diǎn)寫(xiě)入完成這段時(shí)間內都不允許進(jìn)行其他Flash 存儲器的寫(xiě)入操作，這是為了保證數據的完整性，同時(shí)也提高了文件系統的穩定性。
無(wú)目錄文件系統的優(yōu)化
許多嵌入式系統設計中雖沒(méi)有目錄管理的要求，但是對執行效率和資源消耗的要求較高。 對于不要求有目錄管理的精簡(jiǎn)文件系統，在設計時(shí)也進(jìn)行了優(yōu)化。精簡(jiǎn)文件系統在Flash 中的存儲格式與上述設計相同，文件系統中的所有文件信息都保存在索引節點(diǎn)的根目錄信息表中。精簡(jiǎn)文件系統在內存中的映象則要簡(jiǎn)單很多，只包含索引節點(diǎn)中的信息，包括簇狀態(tài)表、下一個(gè)擦除塊、下一個(gè)新節點(diǎn)的標號和根目錄信息，而不用為每個(gè)文件都建立內存中的映象，節省大量的內存空間。 文件的編輯存盤(pán)過(guò)程簡(jiǎn)化為:打開(kāi)文件、編輯、將文件寫(xiě)入Flash 存儲器、將修改后的索引節點(diǎn)寫(xiě)入Flash 存儲器。擦寫(xiě)則只需通過(guò)查詢(xún)根目錄信息表中的各個(gè)目錄項，將塊中的所有文件節點(diǎn)寫(xiě)入空簇即可。在無(wú)目錄管理的情況下，精簡(jiǎn)文件系統占用的內存資源可以減少，操作也可便捷，提高了效率。 對于大量只需要按名存取的簡(jiǎn)單文件管理的小型嵌入式系統而言，針對Flash 存儲器的簡(jiǎn)單文件系統將占用資源少，執行效率高，有很大的應用價(jià)值。
嵌入式文件系統實(shí)現及性能分析
該文件系統的實(shí)現采用了分層方法，分為3 層4 個(gè)部分:應用程序接口、文件系統核心、操作系統調用接口、Flash 存儲器驅動(dòng)，實(shí)現結構見(jiàn)圖8。
實(shí)現平臺中RTOS 為μC/OSOII 實(shí)時(shí)操作系統，CPU 使用三星S4510B作為處理器，Flash 存儲器芯片為FUJ ITSU 的29LV160 TE。 針對不同的實(shí)時(shí)操作系統和Flash 存儲器芯片需要實(shí)現不同的操作系統接口和Flash 存儲器驅動(dòng)。
針對μC/ OSOII 編寫(xiě)操作系統調用接口，包括5個(gè)函數: ①系統調用接口初始化FS_Sys_Interface_Init ( ) ，創(chuàng )建互斥信號量和內存分區； ② Flash 寫(xiě)入關(guān)閉FS_Sys_Write_Lock ( ) ，禁止Flash 寫(xiě)入操作，調用μC/OS-II 中OSMutePend ( ) ； ③ Flash寫(xiě)入打開(kāi)FS_Sys_Write_Unlock ( ) ，重新允許Flash 寫(xiě)入操作，調用μC/OS-II 中OSMutePost() ； ④內存空間申請FS_Sys_Mem_Alloc( ) 和內存空間添加FS_Sys_Mem_Add ( ) ， 都調用OSMemGet ( ) 來(lái)完成； ⑤內存空間釋放FS_Sys_Mem_Free ( ) ，調用OSMemPut ( ) 完成，將申請的內存塊全部釋放。針對29LV160 TE 這款Flash 存儲器芯片，定義一個(gè)FlashDef 結構體的全局變量， 用于存儲Flash 器件信息，并且編寫(xiě)針對此款Flash 的塊擦寫(xiě)函數FS_Device_Sector_Erase ( ) 和數據寫(xiě)入函數FJ FS_Device_Write ( ) 。
完成這兩部分的實(shí)現后，該系統就可運行調試。 測試應用程序接口(API) 。應該提供的各部分功能，并在突然斷電情況下，測試文件系統的恢復情況。無(wú)目錄管理的精簡(jiǎn)文件系統的載入，可在2μs內完成，文件寫(xiě)入耗時(shí)主要為閃存的等待時(shí)間，系統本身只占用不到200 個(gè)字節的內存，產(chǎn)生的代碼段大小為7 K。完整的文件系統載入時(shí)，需要建立內存中映象，耗時(shí)根據文件數量的多少而不同，一般為10μs ，產(chǎn)生的代碼段大小為11 K。系統寫(xiě)入效率較高，在無(wú)目錄管理的配置下尤其明顯。試驗中系統在多次斷電的情況下，系統仍能恢復至上次存盤(pán)的狀態(tài)，雖會(huì )導致個(gè)別文件未更新，但不會(huì )導致文件系統崩潰。
結 語(yǔ)
針對Flash 存儲器的固有缺陷設計了一種基于Flash 存儲器的嵌入式文件系統。 在文件讀寫(xiě)時(shí)，極大減少了Flash 存儲器擦寫(xiě)的次數，提高了效率。 此系統代碼精簡(jiǎn)，運行時(shí)占用內存資源少，運行效率高，而且有斷電保護，有較高的安全性。
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