NAND Flash上均勻損耗與掉電恢復在線(xiàn)測試

　　摘要 NAND Flash以其大容量、低價(jià)格等優(yōu)勢迅速成為嵌入式系統存儲的新寵，因此其上的文件系統研究也日益廣泛，本文簡(jiǎn)要介紹了常用的NAND Flash文件系統YAFFS，并針對YAFFS在均勻損耗和掉電恢復方面進(jìn)行在線(xiàn)測試。在給出測試結果的同時(shí)，著(zhù)重研究嵌入式軟件測試方案和方法;對測試結果進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)方案和適用環(huán)境。

　　關(guān)鍵詞 NAND Flash 均勻損耗 軟件測試 YAFFS

　　引 言

　　隨著(zhù)嵌入式技術(shù)在各種電子產(chǎn)品中的廣泛應用，嵌入式系統中的數據存儲和管理已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究課題。Flash存儲器具有速度快、容量大、成本低等很多優(yōu)點(diǎn)，因此在嵌入式系統中被廣泛用作外存儲器件。嵌入式系統中的Flash存儲器需要有自己的文件系統，而不能直接移植通用文件系統，主要有兩個(gè)原因：第一，嵌入式系統的應用條件惡劣，電源電壓不穩定，突發(fā)性斷電以及非法插拔都容易造成災難性的影響，通用文件系統對于可靠性的設計考慮不足;第二，通用文件系統的記錄信息(如FAT表)需要被多次修改，而記錄信息放在Flash存儲器固定的區塊中，將導致該區塊的頻繁操作，從而縮短Flash器的使用壽命。這樣就對軟件技術(shù)提出了更高的要求。

　　為了管理復雜的存儲硬件，同時(shí)提供可靠高效的存儲環(huán)境，出現了基于NAND和NOR的文件系統。目前主流的FFS(Flash File System)有如下3種：TrueFFS、JFFSx以及YAFFS。YAFFS(Yet Another Flash File System)是專(zhuān)門(mén)為NAND Flash設計的嵌入式文件系統，適用于大容量的存儲設備。它是日志結構的文件系統，提供了損耗平衡和掉電保護等機制，可以有效地減小上述原因對文件系統一致性和完整性的影響。本文正是基于這樣的前提，介紹了關(guān)于嵌入式YAFFS文件系統測試方案，針對文件系統中損耗平衡和掉電保護兩個(gè)重要的系統性能指標進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)的測試與分析，不同的應用環(huán)境使用該文件系統應進(jìn)行相應的修改。

　　1 YAFFS文件系統概述

　　YAFFS文件系統類(lèi)似于JFFS/JFFS2文件系統。不同的是，JFFSl/2文件系統最初是針對NOR Flash的應用場(chǎng)合設汁的，而NOR Flash和NAND Flash本質(zhì)上有較大的區別。盡管JFFSl/2文件系統也能應用于NANDFlash，但由于它在內存占用和啟動(dòng)時(shí)間方面針對NOR的特性做了一些取舍，所以對NAND來(lái)說(shuō)通常并不是最優(yōu)的方案。

　　1.1 NOR和NAND的比較

　　基本上NOR比較適合存儲程序代碼，其容量一般較小(比如小于32 MB)，且價(jià)格較高;而NAND容量可達lGB以上，價(jià)格也相對便宜，適合存儲數據。一般來(lái)說(shuō)，128 MB以下容量NAND Flash芯片的一頁(yè)大小為512字節，用來(lái)存放數據，每一頁(yè)還有16字節的備用空間(SpareData)，充當OOB(Out Of Band)區域，用來(lái)存儲ECC(Error Correction Codc)校驗/壞塊標志等信息;再由若干頁(yè)組成一個(gè)塊，通常一塊為32頁(yè)(16 KB)。與NOR相比，NAND不是完全可靠的。每塊芯片出廠(chǎng)時(shí)允許有一定比例的壞塊存在，對數據的存取不是使用線(xiàn)性地址映射，而是通過(guò)寄存器的操作串行存取數據。

　　1.2 YAFFs數據在NAND上的存儲方式

　　YAFFS根據NAND閃存以頁(yè)為單位存取的特點(diǎn)，將文件組織成固定大小的數據段。利用NAND閃存提供的每頁(yè)16字節的備用空間來(lái)存放ECC檢驗信息和文件系統的組織信息，不僅能夠實(shí)現錯誤檢測和壞塊處理，而且能夠提高文件系統的加載速度。

　　YAFFS將文件組織成固定大小(512字節)的數據段。每個(gè)文件都有一個(gè)頁(yè)面專(zhuān)門(mén)存放文件頭，文件頭保存了文件的模式、所有者id、組id、長(cháng)度、文件名等信息。為了提高文件數據塊的查找速度，文件的數據段組織成樹(shù)形結構。YAFFS在文件進(jìn)行改寫(xiě)時(shí)，總是先寫(xiě)入新的數據塊，然后將舊的數據塊從文件中刪除。YAFFS使用存放在頁(yè)面備用空間中的ECC進(jìn)行錯誤檢測，出現錯誤后會(huì )進(jìn)行一定次數的重試;多次重試失敗后，該頁(yè)面就被停止使用。以(512+16)字節為一頁(yè)的NAND Flash芯片為例，YAFFS文件系統數據的存儲布局如圖1所示。

　　2 YAFFS文件系統測

　　2.1 測試總體說(shuō)明

　　YAFFS文件系統是開(kāi)源的，測試基于白盒測試。在所關(guān)心的代碼段中，插入測試代碼。為保證測試代碼不對原代碼造成影響，測試后可立即恢復為原代碼，所有測試代碼(包括測試用變量和函數)均嵌入到#define FS_TEST宏定義中。

　　2.2 模擬文件的生成

　　嵌入式環(huán)境下對文件系統進(jìn)行大量、長(cháng)時(shí)間的測試存在很多問(wèn)題，不易實(shí)現，對測試代碼的插入和數據的監視也比較困難。這里采用PC模擬測試的形式，用文件的讀/寫(xiě)模擬NAND器件，并在PC上對模擬文件監視，以達到測試的目的。代碼定義了各種NAND器件的類(lèi)型，以適應不同的器件。模擬器件時(shí)，也用這些信息生成相應的模擬文件。

　　指明要模擬的NAND器件的大小(FILE_SIZE_IN_MEG)和結構(BLOCKS_PER_MEG，BLOCK_SIZE)后，按照相應的大小和結構生成文件g_filedisk。

　　3 均勻損耗測試

　　3.1 測試目的

　　NAND Flash器件每個(gè)Block區塊的擦寫(xiě)次數有限。在需要實(shí)時(shí)記錄的應用環(huán)境中，為保證器件壽命，應盡量使每個(gè)區塊的擦寫(xiě)次數相對平均.以最大程度地延長(cháng)NAND Flash器件的使用壽命。此項測試記錄每個(gè)Block區塊的擦寫(xiě)次數，以測試YAFFS文件系統在均勻損耗方面的性能。

　　3.2 測試方法

　　測試代碼在器件模擬文件的每一頁(yè)的Spare區后，增加了字節，用于記錄該頁(yè)的擦寫(xiě)次數。由于擦寫(xiě)是以Block為單位進(jìn)行的，因此每個(gè)Block各頁(yè)的擦寫(xiě)記錄數是相同的。在以后的測試中,可以只使用第一頁(yè)的該Block空間記錄擦寫(xiě)次數，其他空間作其他測試用。

　　測試代碼插入到CheckInit()和yaffs_FEEraseBlockInNAND()(yaffs_fileem.cpp)中，在初始化器件模擬文件時(shí),生成(新模擬文件)或讀取(己有模擬文件)擦寫(xiě)次數;并在程序執行擦寫(xiě)函數時(shí)，對擦寫(xiě)次數進(jìn)行累加和保存。

　　測試程序甩到的測試變量;記錄擦寫(xiě)次數的數組-g_ersNumArray[FILE_SIZE_IN_MEG*BLOCKS_PER_MEG]、指向擦寫(xiě)的最大值-g_pErsMax和指向擦寫(xiě)的最小值-g_pErsMin。

　　測試程序用WireOut0.log和WireOutl.log兩個(gè)文件記錄每個(gè)Block區塊的擦寫(xiě)次數，查看這兩個(gè)文件，可以看到每個(gè)區塊的擦寫(xiě)次數以及最大/最小值。兩個(gè)文件是等同的，因測試時(shí)間比較長(cháng)，取兩個(gè)文件以避免系統在寫(xiě)記錄文件時(shí)出錯，而丟失所有的記錄;兩個(gè)文件輪流寫(xiě)，保證至少有一個(gè)文件的內容是系統出錯前最近的記錄。

　　3.3 測試結果

　　YAFFS文件系統按“順序”使用未分配的空間用于新的寫(xiě)入操作，并以同樣“順序”擦除廢棄的區塊。寫(xiě)入和擦除操作，均按順序在未分配的空間或廢棄的空間中進(jìn)行。當系統未用空間小于某一預設值后，系統將對存在廢棄頁(yè)的區塊進(jìn)行回收。這種寫(xiě)入和擦除策略在一定程度上保證了損耗的均勻性。

　　這種機制雖然在一定程度上滿(mǎn)足均勻損耗的要求，但還是存在問(wèn)題，并不適用于所有的嵌入式應用環(huán)境。假設在一塊16MB的NAND器件上，有10MB空間用來(lái)存放相對固定、不經(jīng)常修改的數據文件，則經(jīng)常修改的文件只能在剩下的6 MB空間上重復擦寫(xiě)，在這6 MB空間上做到“均勻損耗”。對整個(gè)器件來(lái)說(shuō)，系統并沒(méi)有合適的搬移策略對固定文件進(jìn)行搬移，整個(gè)器件做不到均勻損耗。在實(shí)時(shí)記錄信息量比較大的應用環(huán)境中，應編寫(xiě)相應的搬移策略函數，對固定文件進(jìn)行定期的搬移，以確保整個(gè)NAND器件的均勻損耗。

　　4 掉電恢復性能測試

　　4.1 測試目的

　　文件系統應能保證在系統突然斷電的情況下，最大限度地恢復(保護)有用數據。如果在修改一個(gè)文件時(shí)掉電，那么掉電后的文件保護方式根據實(shí)際情況可分為3種：

　?、儆门f文件完全代替新寫(xiě)文件，新寫(xiě)文件(沒(méi)寫(xiě)完)被忽略。這種保護方式應用比較多，比如在更新設置時(shí)掉電，使用掉電前的設置，用戶(hù)是可以接受的。

　?、谟眯挛募耆媾f文件(新文件寫(xiě)了多少就保留多少)。這種保護方式適合應用于文本的情況，比如短信。新短信雖然不完整，但根據情況用戶(hù)可以得到部分信息，如果發(fā)送方信息完整或屬于可猜測的情況，則可以要求發(fā)送方重發(fā)。

　?、奂簩?xiě)部分用新文件，未寫(xiě)部分用老文件，所謂“新加舊”的保護方式。這種保護方式可以應用在動(dòng)態(tài)更新的文件上。但是，對于使用偏移量進(jìn)行的文件讀寫(xiě)操作，采用這種保護方式，會(huì )產(chǎn)生亂碼。

　　4.2 測試方法

　　測試代碼隨機產(chǎn)生掉電消息，模擬一次掉電行為。測試代碼插入到yaffs_FEWriteChunkToNAND()(yaffs_fileem.cpp)中，在寫(xiě)Data區和Spare區時(shí)分別產(chǎn)生隨機掉電位置，模擬掉電行為。掉電后，程序重新掛接文件系統，并讀取掉電時(shí)正在更新的文件，與原文件相比給出判定結果。

　　程序用到的測試變量：掉電類(lèi)別-g_tstPowerOff，1為Data區掉電，2為Spare區掉電。在完全模擬時(shí)，掉電類(lèi)別隨機產(chǎn)生。程序用TestLog.log記錄掉電后判定的結果。TestLog.log為增加方式打開(kāi)，新記錄寫(xiě)在最后，不影響原有的記錄結果。

　　4.3 測試手段

　　模擬一次“掉電”行為，需要進(jìn)行特殊的處理。實(shí)際的掉電行為在電源重新供給后，整個(gè)系統會(huì )重新開(kāi)始，包括重薪啟動(dòng)文件系統。掉電前系統的所有參數、系統堆棧以及現場(chǎng)均失效。在測試中模擬掉電行為有一定的難度，直接斷電既不安全，也不現實(shí)，可用exit()函數中止程序來(lái)模擬。在執行寫(xiě)操作時(shí)，寫(xiě)入隨機的字節數后，用exit()函數立即中止程序的運行;再重新啟動(dòng)程序，讀取掉電時(shí)寫(xiě)入的文件，分析文件以檢查文件系統新的掉電保護功能。

　　上述測試手段不適用于自動(dòng)測試，也不可能手工進(jìn)行大量的測試。筆者在該項測試中，巧妙地使用了try{}和catch(}結構，既模擬了實(shí)際的掉電行為，又保證了自動(dòng)測試的順利進(jìn)行。

　　模擬掉電行為的核心代碼如下：

　　4.4 測試結果

　　YAFFS-NAND文件系統，只提供上述的②和③兩種文件保護方式。在打開(kāi)文件時(shí)，若以“截短為0”的方式打開(kāi)已有文件，則保護方式為第②種，使用新文件完全代替舊文件。若以修改的方式打開(kāi)己有文件，則保護方式為第③種，使用新加舊的保護方式。

　　需要注意的是：在數據區掉電的情況下，以上兩種保護方式完好，測試通過(guò)。但在Spare區掉電的情況下，文件系統有很大的概率讀不出掉電時(shí)的文件，幾乎不能正常使用。在實(shí)際掉電情況中，按Data區和Spare區的比例關(guān)系(512：16)，寫(xiě)操作掉電時(shí)發(fā)生在Spare區的概率為3.03%，不可接受。另外，文件系統不提供舊文件的保護方式，對于這類(lèi)應用(還是比較多的)需要另外實(shí)現。

　　4.5 對Yaffs-NAND在掉電保護方面的改進(jìn)

　　4.5.1 增加保護方式

　　Yaffs-NAND文件系統在原理上決定了只能有上述的②和③兩種文件保護方式。要提供第一種保護方式，需要對文件系統進(jìn)行擴展，增加2個(gè)函數和2個(gè)結構體：

　　EOnlyOld、EOnlyNew、ENewOld和EDefault分別表示3種不同的保護方式和默認保護方式(由原文件系統提供)。SProInfo結構不僅記錄保護方式，還記錄了該文件名，供關(guān)閉文件時(shí)使用。

　　yaffs_openEx()根據傳入的保護方式，修改打開(kāi)文件的標志，以顯式地設置原有的②、③兩種保護方式。當保護方式為EOnIyold時(shí)，yaffs—openEx()將打開(kāi)另一個(gè)新的臨時(shí)文件，并返回給用戶(hù)使用。傳入的SProlnfo結構的指針，將帶回文件名和文件句柄，供關(guān)閉文件時(shí)用。yaffs_closeEx()函數在關(guān)閉文件時(shí)，檢查文件的保護方式。若為第②、③種情況，則直接關(guān)閉;若為第一種情況，則先刪除原文件，再把新文件重新命名，以達到文件保護的目的。

　　使用方法如下：

　?、偈褂媚J方式，則與原文件系統使用方法相同。新參數默認為NULL，可以直接兼容己有代碼。

　?、谑褂脭U展方式，則要先生成一個(gè)SProInfo的對象，但將其指針傳給yafffs_openEx()。關(guān)閉時(shí)同樣要將其指針傳給yaffs_closeEx()。例如：

　　對進(jìn)行上述改進(jìn)后的擴展方法進(jìn)行測試，結果同改進(jìn)前;但增加了只保留舊文件的第一種保護方式，程序運行良好。

　　4.5.2 Spare區掉電不能恢復的修改

　　對源代碼進(jìn)行深入研究，發(fā)現在Spare區掉電不能恢復的問(wèn)題出在Spare區的Tag信息自檢驗部分。yaffs_GetTagsFromSpare()函數從Spare區讀取Tag信息的過(guò)程中，調用yaffs_CheckECCOnTags()檢驗Tag信息。但是，原代碼對ECC校驗錯誤的Spare區，只是將錯誤修正，并返回到}層函數;上層函數僅記錄’Fag出錯次數，并不做處理。因此，在SpareⅨ掉電時(shí).會(huì )出現不可恢復的錯誤。

　　修改yaffs_GetTagsFromSpare()函數的返回類(lèi)型為int，以返回Spare區的ECC校驗錯誤信息。當yaffs_CheckECCOnTags()返回Tag校驗錯誤時(shí)，yaffs_Get-TagsFromSpare()函數將此錯誤返回。在調用此函數的地方，進(jìn)行相應的修改：當Spare區ECC出錯時(shí)，調用yaffs_DeleteChunk()，刪除該頁(yè)。因掉電引發(fā)的Spare錯誤不可恢復的問(wèn)題，經(jīng)修改后運行良好。

　　結語(yǔ)

　　YAFFS文件系統是專(zhuān)門(mén)為NAND閃存而設計的，它使得價(jià)格低廉的NAND閃存芯片具有了高效性和健壯性;但YAFFS文件系統在性能上還存在著(zhù)問(wèn)題，并不完全適用于對性能苛求的嵌入式系統。本文針對YAFFS文件系統中均勻損耗和掉電恢復兩個(gè)重要指標進(jìn)行測試，給出了測試結果，并針對測試過(guò)程中存在的部分問(wèn)題提出了改進(jìn)方案。實(shí)際測試表明，改進(jìn)后系統性能有明顯改善，能適應更多的應用環(huán)境。