《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FLASH介質(zhì)嵌入式存儲(chǔ)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要: FLASH作為一種安全、快速的存儲(chǔ)體,具有體積小、容量大、成本低、掉電數(shù)據(jù)不丟失等一系列優(yōu)點(diǎn),已成為嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和程序最主要的載體。由于FLASH在結(jié)構(gòu)和操作方式上與硬盤(pán)、E2ROM等其他存儲(chǔ)介質(zhì)有較大區(qū)別,使用FLASH時(shí)必須根據(jù)其自身特性,對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),以保證系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。
Abstract:
Key words :

1引言

FLASH(閃速存儲(chǔ)器)作為一種安全、快速的存儲(chǔ)體,具有體積小、容量大、成本低、掉電數(shù)據(jù)不丟失等一系列優(yōu)點(diǎn),已成為嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和程序最主要的載體。由于FLASH在結(jié)構(gòu)和操作方式上與硬盤(pán)、E2ROM等其他存儲(chǔ)介質(zhì)有較大區(qū)別,使用FLASH時(shí)必須根據(jù)其自身特性,對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),以保證系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。

2FLASH的特點(diǎn)

FLASH是一種非易失性存儲(chǔ)器NVM(Non-VolatileMemory),根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以將其分成NORFLASH和NANDFLASH兩種。但不管哪一種都具有如下特點(diǎn):

(1)區(qū)塊結(jié)構(gòu)

FLASH在物理結(jié)構(gòu)上分成若干個(gè)區(qū)塊,區(qū)塊之間相互獨(dú)立。比如NORFLASH把整個(gè)Memory分成若干個(gè)Sector,而NANDFLASH把整個(gè)Memory分成若干個(gè)Block;

(2)先擦后寫(xiě)

由于FLASH的寫(xiě)操作只能將數(shù)據(jù)位從1寫(xiě)成0,不能從0寫(xiě)成1,所以在對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫(xiě)入之前必須先執(zhí)行擦操作,將預(yù)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)位初始化為1。擦操作的最小單位是一個(gè)區(qū)塊,而不是單個(gè)字節(jié)。

(3)操作指令

除了NORFLASH的讀,F(xiàn)LASH的其它操作不能像RAM那樣,直接對(duì)目標(biāo)地址進(jìn)行總線操作。比如執(zhí)行一次寫(xiě)操作,它必須輸入一串特殊的指令(NORFLASH),或者完成一段時(shí)序(NAND FLASH)才能將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到FLASH中。

(4)位反轉(zhuǎn)

由于FLASH固有的電器特性,在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)過(guò)程中,偶然會(huì)產(chǎn)生一位或幾位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。這就是位反轉(zhuǎn)。位反轉(zhuǎn)無(wú)法避免,只能通過(guò)其他手段對(duì)結(jié)果進(jìn)行事后處理。

(5)壞塊

FLASH在使用過(guò)程中,可能導(dǎo)致某些區(qū)塊的損壞。區(qū)塊一旦損壞,將無(wú)法進(jìn)行修復(fù)。如果對(duì)已損壞的區(qū)塊進(jìn)行操作,可能會(huì)帶來(lái)不可預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤。尤其是NAND FLASH在出廠時(shí)就可能存在這樣的壞塊(已經(jīng)被標(biāo)識(shí)出)。

3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)

3.1 FLASH通用設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)嵌入式系統(tǒng),設(shè)備的兼容性越好,系統(tǒng)可行性就越好,產(chǎn)品也就越有競(jìng)爭(zhēng)力。所以,為了兼容不同類(lèi)型的FLASH設(shè)備,對(duì)FLASH進(jìn)行通用設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

對(duì)于NORFLASH,數(shù)據(jù)的讀操作可以通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線快速完成,然而NOR FLASH的其他操作需要通過(guò)特殊的指令來(lái)完成,更糟糕的是不同廠商生產(chǎn)的芯片這些指令互不相同。這就導(dǎo)致了設(shè)備的不兼容。

對(duì)于NAND FLASH,也存在這樣的問(wèn)題。NAND FLASH可以根據(jù)相同的指令讀取芯片的廠商號(hào)和設(shè)備號(hào),從而通過(guò)識(shí)別設(shè)備號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)的時(shí)序流程實(shí)現(xiàn)操作。但是,系統(tǒng)中太多的判斷,會(huì)使得程序的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。所以,在一定的條件下,NAND FLASH設(shè)備還是不兼容的。

為了解決這一問(wèn)題,一個(gè)較好的方法是將FLASH的各個(gè)操作指令以及結(jié)構(gòu)特性按照統(tǒng)一的格式存放到FLASH中固定位置。系統(tǒng)初始化時(shí),將這個(gè)結(jié)構(gòu)讀入系統(tǒng),通過(guò)分析這個(gè)結(jié)構(gòu),可以獲得關(guān)于芯片所有相關(guān)信息,包括操作指令,區(qū)塊分布等等。這樣,系統(tǒng)可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)FLASH的所有操作,極大地提高了設(shè)備的擴(kuò)展性。

3.2雙模式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)中文件數(shù)據(jù)的存放一般有兩種結(jié)構(gòu),一種是索引格式的線性結(jié)構(gòu),一種是非線性的鏈表式結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。比如對(duì)于系統(tǒng)配置、點(diǎn)陣字庫(kù)等一些具有固定結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)數(shù)據(jù),索引結(jié)構(gòu)比鏈表式結(jié)構(gòu)更有效率。但對(duì)于經(jīng)常更新的用戶(hù)數(shù)據(jù),鏈表式結(jié)構(gòu)要比索引結(jié)構(gòu)更靈活。如果系統(tǒng)能將兩種結(jié)構(gòu)集成,勢(shì)必能將性能發(fā)揮到最優(yōu)。

實(shí)現(xiàn)這種集成的方法是將設(shè)備定義成若干個(gè)分區(qū),每個(gè)分區(qū)相互獨(dú)立,不同分區(qū)可以使用不同的文件模式。這樣,不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)就可以根據(jù)自己的屬性選擇存放的分區(qū)。比如系統(tǒng)數(shù)據(jù)存放在使用索引線性結(jié)構(gòu)的分區(qū),用戶(hù)數(shù)據(jù)存放在使用鏈?zhǔn)椒蔷€性結(jié)構(gòu)的分區(qū)。
 
3.3壞塊處理

FLASH中的壞塊處理是一件很棘手的問(wèn)題,如果沒(méi)有有效的管理,對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)造成嚴(yán)重影響。一個(gè)可行的解決方法是生成一張壞塊表,壞塊表中記錄所有壞塊的塊號(hào),并且按塊號(hào)從小到大排序,壞塊表在讀寫(xiě)過(guò)程中動(dòng)態(tài)更新。當(dāng)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí),遍歷壞塊表中的塊號(hào),將文件的邏輯地址轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)FLASH物理地址,以保證所用的FLASH地址空間不存在壞塊。

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1結(jié)構(gòu)定義

圖1-存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示,在FLASH的Block0位置存放整個(gè)系統(tǒng)最重要的數(shù)據(jù)——系統(tǒng)記錄SR(SystemRecord)。選擇Block0的原因是一般FLASH出廠時(shí),都能保證Block0是完好的,因此可以避免壞塊問(wèn)題帶來(lái)的不便。SR其實(shí)就是一個(gè)定義好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它包括媒質(zhì)信息和文件系統(tǒng)信息兩部分。媒質(zhì)信息包括FLASH存儲(chǔ)器的類(lèi)型、容量、塊類(lèi)型的大小和數(shù)量(BlockInfo)、FLASH操作命令(CommandInfo)等。文件系統(tǒng)信息包括版本信息、各邏輯分區(qū)的起始地址(物理地址)和結(jié)束地址。FLASH設(shè)備可以被分成一個(gè)或多個(gè)邏輯分區(qū),每個(gè)邏輯分區(qū)采用的操作方式可以互不相同,如圖1中Device0分區(qū)采用的是線性文件系統(tǒng),Device1分區(qū)采用的是鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)。如果采用的是線性文件系統(tǒng),在分區(qū)信息后面加入文件索引表INDEX起始地址、大小等信息;如果采用的是鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng),則加入文件系統(tǒng)頁(yè)大小、文件分配表FAT和文件登記表FRT所在的位置等信息。

文件登記表FRT位于FAT后的頁(yè)中,存放著邏輯分區(qū)中文件的信息,如文件總數(shù)、每個(gè)文件的文件代號(hào)、位置、長(zhǎng)度以及校驗(yàn)?zāi)J健F渲?,校?yàn)?zāi)J接脕?lái)標(biāo)識(shí)文件讀寫(xiě)時(shí)采用差錯(cuò)校驗(yàn)的級(jí)別。不同類(lèi)型的文件采用不同級(jí)別的校驗(yàn)方式。0級(jí)不進(jìn)行校驗(yàn),1級(jí)ECC校驗(yàn),2級(jí)逐個(gè)字節(jié)比較。

對(duì)于線性文件系統(tǒng)分區(qū),所有文件順序存儲(chǔ),讀取數(shù)據(jù)時(shí),直接通過(guò)INDEX索引得到某個(gè)文件的邏輯起始地址,然后從這個(gè)地址開(kāi)始順序搜索,獲取某個(gè)偏移位置下的 n個(gè)連續(xù)Byte。鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)是將地址空間分成若干個(gè)等分,即Sector,它是操作的最小單位;一個(gè)大文件可以分布在不連續(xù)的多個(gè)Sector中,然后通過(guò)FAT表將它們連接起來(lái);在FLASH介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng),Sector大小的選擇是一個(gè)關(guān)鍵,由于FLASH的寫(xiě)操作,擦操作是以Page, Block為單位的,設(shè)小了使大塊結(jié)構(gòu)的FLASH寫(xiě)操作復(fù)雜,設(shè)多了又浪費(fèi)空間,因此最好的選擇是將Sector大小設(shè)為擦操作的最小單位16K。

整個(gè)邏輯分區(qū)中,INDEX,FAT,FRT表中的內(nèi)容非常重要,一旦因?yàn)楫惓.a(chǎn)生錯(cuò)誤,可能會(huì)影響到所有文件;所以,這三個(gè)文件都做了備份處理,備份存放于不同的Block中。同時(shí),在對(duì)他們處理時(shí),改寫(xiě)表中的更新?tīng)顟B(tài)。0xff表示開(kāi)始更新,0x00表示更新結(jié)束。在文件系統(tǒng)初始化時(shí),讀取它們的更新?tīng)顟B(tài),如果表中的更新?tīng)顟B(tài)為0xff,說(shuō)明該表存在操作異常,可用備份表更正。

4.2層次接口

整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)分成三層,如圖2所示。

圖2–層次結(jié)構(gòu)

1.操作系統(tǒng)層

在整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)中,操作系統(tǒng)扮演的是使用者的角色。當(dāng)需要數(shù)據(jù)時(shí),它通過(guò)調(diào)用文件系統(tǒng)層提供的接口函數(shù)獲取數(shù)據(jù),它不關(guān)心數(shù)據(jù)的來(lái)源和正確性。

2.文件系統(tǒng)層

文件系統(tǒng)層的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)它和操作系統(tǒng)層的函數(shù)接口。在實(shí)現(xiàn)方式上,線性文件系統(tǒng)和鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)有較大區(qū)別。比如文件讀取mfread,線性文件系統(tǒng)直接讀取所要的字節(jié),而鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)是每次先把對(duì)應(yīng)的整個(gè)頁(yè)讀到文件緩沖區(qū),然后再把所需數(shù)據(jù)拷貝到讀到指定內(nèi)存。文件刪除mfdelete,線性文件系統(tǒng)需要重新整理,不然就會(huì)因?yàn)榇罅康臄?shù)據(jù)空洞(由于空間太小,無(wú)法放入新文件的小塊區(qū)域)使得系統(tǒng)很快沒(méi)有可用空間。鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)只需修改文件系統(tǒng)的FAT和 FRT,而不用做其他任何處理,當(dāng)下次寫(xiě)入操作用到該塊時(shí),自動(dòng)完成擦除。

3.驅(qū)動(dòng)層

驅(qū)動(dòng)層的任務(wù)是完成與FLASH之間的通訊協(xié)議,實(shí)現(xiàn)它和文件系統(tǒng)層的函數(shù)接口。接口函數(shù)包括頁(yè)面讀mPageRead,頁(yè)面寫(xiě)mPageWrite,塊擦除 mBlockErase,隨機(jī)讀取mRnRead,隨機(jī)寫(xiě)入mRnWrite。mPageRead,mPageWrite,mBlockErase對(duì)整頁(yè)或塊進(jìn)行操作,在鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)中調(diào)用;mRnRead,mRnWrite對(duì)字節(jié)單位進(jìn)行操作,在線性文件系統(tǒng)中調(diào)用。其中mRnWrite比較麻煩,以寫(xiě)一個(gè)Byte為例,它的操作分三步,首先將目標(biāo)塊中的所有數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存Buffer中,然后將要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)更新到Buffer,擦除目標(biāo)塊,最后將已更新的Buffer寫(xiě)回到目標(biāo)塊,這里的Buffer大小是一個(gè)Block。由于嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存資源比較緊張,系統(tǒng)采用了塊交換技術(shù)以降低成本,方法是在 FLASH中搜索一個(gè)空閑塊,用它充當(dāng)Buffer的角色。

5結(jié)論

通過(guò)上面的設(shè)計(jì),所實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn):

1.使用通用模式設(shè)計(jì),增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)FLASH設(shè)備的兼容性;
2.使用雙模式文件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)處理效率同時(shí)達(dá)到最優(yōu);
3.使用地址映射表,屏蔽了壞塊帶來(lái)的隱患,增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性;
4.對(duì)重要數(shù)據(jù)采用備份保護(hù),保證不會(huì)因?yàn)閿嚯姷犬惓?dǎo)致系統(tǒng)的崩潰,增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性;
5.采用塊交換技術(shù),節(jié)約系統(tǒng)成本;
6.進(jìn)行分級(jí)差錯(cuò)校驗(yàn),提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率;

因此,本文所設(shè)計(jì)的FLASH存儲(chǔ)系統(tǒng),非常適合于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。

 

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