基于VxWorks的FLASH存儲器實(shí)時(shí)存取管理方案
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cdma2000 1x移動(dòng)通信系統的基站主處理機采用WindRiver公司VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，選用FLASH存儲器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)FLASH)作為外部存儲設備保存系統數和業(yè)務(wù)數據。
FLASH與普通磁介質(zhì)存儲器最大的差異在于寫(xiě)操作方式不同，其寫(xiě)操作相對于普通磁盤(pán)比較慢的過(guò)程，消耗掉大量的CPU資源。FLASH基于命令字的寫(xiě)操作方式導致的寫(xiě)入錯誤，雖然幾率很小但實(shí)際上是存在的。而商用VxWorks操作系統提供的dosFs文件系統和專(zhuān)用TrueFFS文件系統對該情況處理不足，并且用戶(hù)沒(méi)有相應的源碼，系統一旦出現寫(xiě)操作錯誤，將不可控制，降低了系統的可控性。所以，有必要對FLASH的存取操作加以改進(jìn)或控制，并設計一套相對應的專(zhuān)用FLASH文件管理方案，滿(mǎn)足系統可控性的要求。
2． 存取
FLASH寫(xiě)操作基于命令字方式完成，分為擦除(erase)和編程(program)兩個(gè)階段。由于FLASH的編程指令只能使“1”改為“0”，擦除指令只能使“0”改為“1”，而且，擦除操作不能在字節或任意數據區域進(jìn)行，而必須是一個(gè)完整的扇區，所以向FLASH某位置寫(xiě)入數據時(shí)，要先擦除目標位置所在扇區的所有數據，然后才能進(jìn)行編程操作。實(shí)際上，只須向特定的寄存器寫(xiě)入標準的指令序列，具體的擦除和編程過(guò)程就可由內部嵌入的算法執行。
2．1 設計思想
通常，FLASH寫(xiě)操作指令下達后，由驅動(dòng)程序完成命令字的設置。此時(shí)，數據被臨時(shí)存儲于FLASH的鎖存器中，但系統仍需要保持數據總線(xiàn)直到寫(xiě)入操作終止或完成才釋放。一個(gè)扇區的擦除是十幾毫秒的時(shí)間，一個(gè)字節的寫(xiě)入是幾微秒的時(shí)間，可以看到，數據總線(xiàn)的占用過(guò)程消耗了大量的CPU時(shí)間。這部分資源的節約對于嵌入式實(shí)時(shí)系統來(lái)說(shuō)是必要的。操作系統完全可以在設置寫(xiě)操作命令字后釋放數據總線(xiàn)，退出FLASH操作，把擦除/編程過(guò)程的CPU時(shí)間用來(lái)執行其他指令，等當前命令字執行完畢后，通過(guò)某個(gè)事件的觸發(fā)，使CPU跳轉回來(lái)設置下一個(gè)命令字。這就是改進(jìn)FLASH操作過(guò)程的設計思想。
2．2 實(shí)現過(guò)程
觸發(fā)事件選擇和跳轉周期短的控制是問(wèn)題解決的關(guān)鍵，即在一個(gè)命令字操作完成后，選用什么方式來(lái)觸發(fā)下一個(gè)命令字操作?？梢钥紤]的方式主要有掃描方式和中斷方式。
通過(guò)掃描方式，當應用程序完成一次完整的處理周期時(shí)，掃描某個(gè)標志狀態(tài)，判斷FLASH寫(xiě)入操作是否進(jìn)行完成。如果完成，則再次設置命令字進(jìn)行操作。由于程序處理周期取決于應用層業(yè)務(wù)處理時(shí)間，這種方式會(huì )導致觸發(fā)周期不固定。
采用中斷方式，可以通過(guò)設置中斷頻率來(lái)控制觸發(fā)周期。但必須選擇合適的中斷源，使其精度達到要求并且對系統沒(méi)有額外的影響。由于基站系統采用外部GPS時(shí)鐘，系統的單板時(shí)鐘閑置，其精度對于FLASH操作是足夠的，所以可以考慮選擇CPU時(shí)鐘中斷。問(wèn)題在于VxWorks對該中斷是否有使用。實(shí)際上，VxWorks通過(guò)該時(shí)鐘中斷完成系統記數器，從而在其基礎上實(shí)現系統定時(shí)器，看門(mén)狗定時(shí)器，任務(wù)分時(shí)調度等功能組件。因此，接管時(shí)鐘中斷，必須在修改時(shí)鐘頻率同時(shí)，保證操作系統所需的系統記數器頻率不變。
VxWorks提供sysClkConnect()函數允許時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)，根據指定參數掛接用戶(hù)定義的中斷處理程序，中斷處理完成后由用戶(hù)程序返回。VxWorks提供的usrClock()函數是系統缺省時(shí)鐘中斷處理函數，用來(lái)調用計數器函數tickAnnounce()，實(shí)現系統計數器的作用。時(shí)鐘中斷頻率由SYS_CLK_RATE設定，缺省值是60。因此，我們在替換時(shí)鐘中斷處理函數時(shí)，需要包含操作系統的記數器函數tickAnnounce()，并通過(guò)分頻的方法保證tickAnnounce()的調用和時(shí)鐘頻率修改前的調用頻率是一致的，從而使操作系統計數器感覺(jué)不到時(shí)鐘頻率修改和中斷處理函數被替換的區別。
當然，系統時(shí)鐘頻率的設置不能太高，通常時(shí)鐘頻率設置為60HZ(或100HZ)，當頻率超過(guò)600HZ時(shí)，會(huì )使內核調度用時(shí)比率偏高，而實(shí)際任務(wù)可用的CPU時(shí)間下降，處理器將花費大多數時(shí)間來(lái)處理時(shí)鐘而使系統運行效率下降或不可用。
圖1給出了具體的實(shí)現流程圖。sysClkChange()是自定義的系統時(shí)鐘頻率調整控制函數，該函數根據入口參數設置系統時(shí)鐘中斷頻率，選擇掛接中斷的處理函數flsClock()或usrClock()。自定義的中斷處理函數的flsClock()通過(guò)調用usrClock()函數完成系統計數器功能。sysClkRateGet()和sysClkRateSet()函數是VxWorks提供的時(shí)鐘頻率設置函數。
flsClock()還需要負責實(shí)際的寫(xiě)入操作。首先檢查上一次中斷處理中的FLASH操作是否已經(jīng)完成。如果沒(méi)有 完成，則返回，并記錄返回次數，若返回次數超過(guò)了一定限度，即認為該片FLASH發(fā)生故障，向應用層發(fā)出FLASH故障告警；如果已經(jīng)完成，則開(kāi)始進(jìn)行本次操作，即先確定操作的類(lèi)型(擦除還是編程)和相關(guān)參數(包括目標扇區序號，目的地址，數據源地址等等)，然后調用驅動(dòng)程序提供的FLASH操作接口，完成命令字設置等操作。
3． 管理設計
在I/O系統基本結構中，應用程序可以通過(guò)符合標準I/O接口的文件系統調用設備驅動(dòng)程序來(lái)操作設備，也可以直接與驅動(dòng)程序連接來(lái)操作設備(VxWorks本身并不支持這種做法)。通常，采用文件系統來(lái)操作存取設備的方式，減少了驅動(dòng)程序必須支持的I/O操作接口函數的數目，在VxWorks開(kāi)發(fā)中得到廣泛的應用。
VxWorks提供與MS-DOS兼容的dosFs文件系統供I/O接口調用，但dosFs文件系統本質(zhì)上容易受到某種類(lèi)型磁盤(pán)故障的影響，導致更新過(guò)程中數據結構不一致性，而且，dosFs文件系統是一個(gè)不考慮容錯性能的文件系統，沒(méi)有考慮FLASH操作的特殊性，對于底層驅動(dòng)程序中FLASH命令字方式導致的寫(xiě)入錯誤無(wú)法處理。作為VxWorks的可選組件，M-System公司為VxWorks定制的TrueFFS組件提供了面向FLASH的專(zhuān)用文件系統。
TrueFFS文件系統使用block-to-flash轉換系統將閃存抽象為普通塊設備?；趧?dòng)態(tài)維護的映射圖使FLASH索引成一系列連續塊。進(jìn)行數據寫(xiě)入時(shí)，如果目標塊已寫(xiě)有數據，TrueFFS另找空閑區寫(xiě)入，待數據安全寫(xiě)入后，TrueFFS更新映射圖，將該塊指向寫(xiě)入的新FLASH地址。TrueFFS文件系統機制非常完善，但基站系統對FLASH功能要求比較單一，存儲的數據文件類(lèi)型和存儲方式相對單一，TrueFFS文件系統并不能發(fā)揮其強大功能，反而降低了系統的性能。
3．1 設計思想
參考dosFs文件系統和TrueFFS文件系統的管理方法，選取其中重要功能重新設計，實(shí)現一個(gè)應用層可控的FLASH管理方案。把FLASH劃分為管理區和數據區兩部分進(jìn)行組織管理。其中管理區存放文件管理信息，數據區存放數據文件。為了防止在修改管理區的過(guò)程中掉電，在存儲區的兩端設置雙備份的管理區。
我們將FLASH最小管理單位定義為一個(gè)FLASH扇區（塊）。進(jìn)行FLASH操作之前，先將目標扇區內容備份到內存，在內存中修改完畢后再固化到FLASH。管理區和數據區占用的空間是扇區的整數倍，這樣才不會(huì )在更新某些數據的同時(shí)，造成對已有數據的修改。對于比較小的文件，可能小于一個(gè)扇區的空間，導致FLASH空間的浪費，但避免了因為共享同一扇區造成不同文件操作之間的相互影響，降低數據被破壞的可能性，簡(jiǎn)化管理策略。
3．2 實(shí)現過(guò)程
根據文件管理方案，假定用戶(hù)可修改的FLASH塊數為512，其中前后兩個(gè)管理區占用64塊，數據區可用448塊。FLASH管理區需要包含的內容如表1所示。
任何時(shí)刻，處于活動(dòng)狀態(tài)的管理區只有一個(gè)。在更新數據的時(shí)候，首先更新處于活動(dòng)狀態(tài)的管理區，然后寫(xiě)入數據文件，等待寫(xiě)入穩定后，更新另一個(gè)管理區，然后將另一個(gè)管理區置為當前活動(dòng)狀態(tài)，原先管理區置為非活動(dòng)狀態(tài)。這樣可以保證在數據文件寫(xiě)入失敗時(shí)，通過(guò)兩個(gè)管理區管理信息的一致性來(lái)識別數據的有效性。
FLASH塊列表的每個(gè)字節對應一個(gè)扇區的占用情況，1表示該扇區已分配，0表示該扇區未分配，0xff表示該扇區壞死，不能使用。
文件信息記錄位置按照系統配置好的處理機數目采用固定順序存放。更新任何一個(gè)數據文件之前，要更新該文件的信息記錄，確定該文件操作狀態(tài)，版本信息和存放位置。具體的組織結構如表2所示。
系統需要從FLASH讀取數據時(shí)，首先比較 兩個(gè)FLASH管理區管理信息是否一致。如果一致，認為數據有效，直接讀??；如果不一致，則說(shuō)明存在FLASH操作異常，向系統操作維護控制臺(OMC)告警，并通知應用程序請求向OMC下載寫(xiě)入新的數據文件。當需要刪除FLASH上數據文件時(shí)，只需將管理區中該文件操作狀態(tài)置成“無(wú)效”，并將其占用的扇區置成“未分配”狀態(tài)，然后更新FLASH管理區信息即可。
這里沒(méi)有給出碎片收集和垃圾數據處理的機制，實(shí)際上，刪除操作所實(shí)現的功能即有回收垃圾數據所在扇區的作用，并且由應用層控制，實(shí)現了系統可控性。對于FLASH中存在的碎片，由于我們采取的是以扇區為單元進(jìn)行數據管理的，數據文件的存儲空間是整數塊，而且塊列表可以不連續，所以不存在碎片的問(wèn)題，從而就巧妙的避免了碎片收集的復雜性。
4． 總結
本文介紹的FLASH操作方法以及與之配套的文件管理方案，為系統運行節省了可觀(guān)的時(shí)間，可以很好的解決了業(yè)務(wù)運行與數據備份之間對系統資源占用的矛盾，對于FLASH操作相對頻繁和數據備份實(shí)時(shí)性要求較高的系統，都是適用的。
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