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1 引言
FLASH（閃速存儲器）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點，已成為嵌入式系統中數據和程序最主要的載體。由于FLASH在結構和操作方式上與硬盤、E2ROM等其他存儲介質有較大區別，使用FLASH時必須根據其自身特性，對存儲系統進行特殊設計，以保證系統的性能達到最優。
2 FLASH的特點
FLASH是一種非易失性存儲器NVM（Non-Volatile Memory），根據結構的不同可以將其分成NOR FLASH和NAND FLASH兩種。但不管哪一種都具有如下特點：
（1）區塊結構FLASH在物理結構上分成若干個區塊，區塊之間相互獨立。比如NOR FLASH把整個Memory分成若干個Sector，而NAND FLASH把整個Memory分成若干個Block；
（2）先擦后寫由于FLASH的寫操作只能將數據位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對存儲器進行寫入之前必須先執行擦操作，將預寫入的數據位初始化為1。擦操作的最小單位是一個區塊，而不是單個字節。
（3）操作指令除了NOR FLASH的讀，FLASH的其它操作不能像RAM那樣，直接對目標地址進行總線操 作。比如執行一次寫操作，它必須輸入一串特殊的指令（NOR FLASH），或者完成一段時序（NAND FLASH）才能將數據寫入到FLASH中。
（4）位反轉由于FLASH固有的電器特性，在讀寫數據過程中，偶然會產生一位或幾位數據錯誤。這就是位反轉。位反轉無法避免，只能通過其他手段對結果進行事后處理。
（5）壞塊FLASH在使用過程中，可能導致某些區塊的損壞。區塊一旦損壞，將無法進行修復。如果對已損壞的區塊進行操作，可能會帶來不可預測的錯誤。尤其是NAND FLASH在出廠時就可能存在這樣的壞塊（已經被標識出）。
3 關鍵設計
3.1 FLASH通用設計
對于一個嵌入式系統，設備的兼容性越好，系統可行性就越好，產品也就越有競爭力。所以，為了兼容不同類型的FLASH設備，對FLASH進行通用設計至關重要。
對于NOR FLASH，數據的讀操作可以通過獨立的數據總線和地址總線快速完成，然而NOR FLASH的其他操作需要通過特殊的指令來完成，更糟糕的是不同廠商生產的芯片這些指令互不相同。這就導致了設備的不兼容。
對于NAND FLASH，也存在這樣的問題。NAND FLASH可以根據相同的指令讀取芯片的廠商號和設備號,從而通過識別設備號調用對應的時序流程實現操作。但是，系統中太多的判斷，會使得程序的結構變得非常復雜。所以，在一定的條件下，NAND FLASH設備還是不兼容的。
為了解決這一問題，一個較好的方法是將FLASH的各個操作指令以及結構特性按照統一的格式存放到FLASH中固定位置。系統初始化時，將這個結構讀入系統，通過分析這個結構，可以獲得關于芯片所有相關信息，包括操作指令，區塊分布等等。這樣，系統可以輕松實現對不同型號FLASH的所有操作，極大地提高了設備的擴展性。
3.2 雙模式文件系統設計
嵌入式系統中文件數據的存放一般有兩種結構，一種是索引格式的線性結構，一種是非線性的鏈表式結構。這兩種結構各有優缺點。比如對于系統配置、點陣字庫等一些具有固定結構的系統數據，索引結構比鏈表式結構更有效率。但對于經常更新的用戶數據，鏈表式結構要比索引結構更靈活。如果系統能將兩種結構集成，勢必能將性能發揮到最優。
實現這種集成的方法是將設備定義成若干個分區，每個分區相互獨立，不同分區可以使用不同的文件模式。這樣，不同類型的數據就可以根據自己的屬性選擇存放的分區。比如系統數據存放在使用索引線性結構的分區，用戶數據存放在使用鏈式非線性結構的分區。
3.3 壞塊處理
FLASH中的壞塊處理是一件很棘手的問題，如果沒有有效的管理，對系統的穩定性會造成嚴重影響。一個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，并且按塊號從小到大排序，壞塊表在讀寫過程中動態更新。當讀寫數據時，遍歷壞塊表中的塊號，將文件的邏輯地址轉換成對應FLASH 物理地址，以保證所用的FLASH地址空間不存在壞塊。
4 系統實現
4.1 結構定義
系統的存儲結構如圖1所示，在FLASH的Block0位置存放整個系統最重要的數據——系統記錄SR（System Record）。選擇Block0的原因是一般FLASH出廠時，都能保證Block0是完好的，因此可以避免壞塊問題帶來的不便。SR其實就是一個定義好的數據結構，它包括媒質信息和文件系統信息兩部分。媒質信息包括FLASH存儲器的類型、容量、塊類型的大小和數量（BlockInfo）、FLASH 操作命令（ CommandInfo ）等。文件系統信息包括版本信息、各邏輯分區的起始地址（物理地址）和結束地址。FLASH設備可以被分成一個或多個邏輯分區，每個邏輯分區采用的操作方式可以互不相同，如圖1中Device0分區采用的是線性文件系統，Device1分區采用的是鏈式文件系統。如果采用的是線性文件系統，在分區信息后面加入文件索引表INDEX起始地址、大小等信息；如果采用的是鏈式文件系統，則加入文件系統頁大小、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后的頁中，存放著邏輯分區中文件的信息，如文件總數、每個文件的文件代號、位置、長度以及校驗模式。其中，校驗模式用來標識文件讀寫時采用差錯校驗的級別。不同類型的文件采用不同級別的校驗方式。0級不進行校驗，1級ECC校驗，2級逐個字節比較。
對于線性文件系統分區，所有文件順序存儲，讀取數據時，直接通過INDEX索引得到某個文件的邏輯起始地址，然后從這個地址開始順序搜索，獲取某個偏移位置下的n個連續Byte。鏈式文件系統是將地址空間分成若干個等分，即Sector，它是操作的最小單位；一個大文件可以分布在不連續的多個 Sector中，然后通過FAT表將它們連接起來；在FLASH介質上實現鏈式文件系統，Sector大小的選擇是一個關鍵，由于FLASH的寫操作，擦操作是以Page，Block為單位的，設小了使大塊結構的FLASH寫操作復雜，設多了又浪費空間，因此最好的選擇是將Sector大小設為擦操作的最小單位16K。
整個邏輯分區中，INDEX,FAT,FRT表中的內容非常重要，一旦因為異常產生錯誤，可能會影響到所有文件；所以，這三個文件都做了備份處理，備份存放于不同的Block中。同時，在對他們處理時，改寫表中的更新狀態。0xff表示開始更新,0x00表示更新結束。在文件系統初始化時，讀取它們的更新狀態，如果表中的更新狀態為0xff，說明該表存在操作異常，可用備份表更正。
4.2 層次接口
整個存儲系統分成三層，如圖2所示。
（1）操作系統層
在整個存儲系統中，操作系統扮演的是使用者的角色。當需要數據時，它通過調用文件系統層提供的接口函數獲取數據，它不關心數據的來源和正確性。
（2）文件系統層
文件系統層的任務是實現它和操作系統層的函數接口。在實現方式上，線性文件系統和鏈式文件系統有較大區別。比如文件讀取mfread,線性文件系統直接讀取所要的字節，而鏈式文件系統是每次先把對應的整個頁讀到文件緩沖區，然后再把所需數據拷貝到讀到指定內存。文件刪除mfdelete，線性文件系統需要重新整理，不然就會因為大量的數據空洞（由于空間太小，無法放入新文件的小塊區域）使得系統很快沒有可用空間。鏈式文件系統只需修改文件系統的 FAT和FRT，而不用做其他任何處理，當下次寫入操作用到該塊時，自動完成擦除。
（3）驅動層
驅動層的任務是完成與FLASH之間的通訊協議，實現它和文件系統層的函數接口。接口函數包括頁面讀mPageRead，頁面寫mPageWrite, 塊擦除mBlockErase, 隨機讀取mRnRead, 隨機寫入mRnWrite。mPageRead，mPageWrite，mBlockErase對整頁或塊進行操作，在鏈式文件系統中調用； mRnRead, mRnWrite對字節單位進行操作，在線性文件系統中調用。其中mRnWrite比較麻煩，以寫一個Byte為例，它的操作分三步，首先將目標塊中的所有數據讀到內存Buffer中，然后將要寫入的數據更新到Buffer，擦除目標塊，最后將已更新的Buffer寫回到目標塊,這里的Buffer大小是一個Block。由于嵌入式系統的內存資源比較緊張，系統采用了塊交換技術以降低成本,方法是在FLASH中搜索一個空閑塊，用它充當Buffer的角色。
5 結論
通過上面的設計，所實現的存儲系統具有以下的特點：
（1）使用通用模式設計，增強了系統對FLASH設備的兼容性；
（2）使用雙模式文件結構設計，使不同類型的數據處理效率同時達到最優；（3）使用地址映射表，屏蔽了壞塊帶來的隱患，增強了系統的健壯性；
（4）對重要數據采用備份保護，保證不會因為斷電等異常導致系統的崩潰，增強了系統穩定性；
（5）采用塊交換技術，節約系統成本；
（6）進行分級差錯校驗，提高了系統的執行效率。
FLASH（閃速存儲器）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點，已成為嵌入式系統中數據和程序最主要的載體。由于FLASH在結構和操作方式上與硬盤、E2ROM等其他存儲介質有較大區別，使用FLASH時必須根據其自身特性，對存儲系統進行特殊設計，以保證系統的性能達到最優。
2 FLASH的特點
FLASH是一種非易失性存儲器NVM（Non-Volatile Memory），根據結構的不同可以將其分成NOR FLASH和NAND FLASH兩種。但不管哪一種都具有如下特點：
（1）區塊結構FLASH在物理結構上分成若干個區塊，區塊之間相互獨立。比如NOR FLASH把整個Memory分成若干個Sector，而NAND FLASH把整個Memory分成若干個Block；
（2）先擦后寫由于FLASH的寫操作只能將數據位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對存儲器進行寫入之前必須先執行擦操作，將預寫入的數據位初始化為1。擦操作的最小單位是一個區塊，而不是單個字節。
（3）操作指令除了NOR FLASH的讀，FLASH的其它操作不能像RAM那樣，直接對目標地址進行總線操 作。比如執行一次寫操作，它必須輸入一串特殊的指令（NOR FLASH），或者完成一段時序（NAND FLASH）才能將數據寫入到FLASH中。
（4）位反轉由于FLASH固有的電器特性，在讀寫數據過程中，偶然會產生一位或幾位數據錯誤。這就是位反轉。位反轉無法避免，只能通過其他手段對結果進行事后處理。
（5）壞塊FLASH在使用過程中，可能導致某些區塊的損壞。區塊一旦損壞，將無法進行修復。如果對已損壞的區塊進行操作，可能會帶來不可預測的錯誤。尤其是NAND FLASH在出廠時就可能存在這樣的壞塊（已經被標識出）。
3 關鍵設計
3.1 FLASH通用設計
對于一個嵌入式系統，設備的兼容性越好，系統可行性就越好，產品也就越有競爭力。所以，為了兼容不同類型的FLASH設備，對FLASH進行通用設計至關重要。
對于NOR FLASH，數據的讀操作可以通過獨立的數據總線和地址總線快速完成，然而NOR FLASH的其他操作需要通過特殊的指令來完成，更糟糕的是不同廠商生產的芯片這些指令互不相同。這就導致了設備的不兼容。
對于NAND FLASH，也存在這樣的問題。NAND FLASH可以根據相同的指令讀取芯片的廠商號和設備號,從而通過識別設備號調用對應的時序流程實現操作。但是，系統中太多的判斷，會使得程序的結構變得非常復雜。所以，在一定的條件下，NAND FLASH設備還是不兼容的。
為了解決這一問題，一個較好的方法是將FLASH的各個操作指令以及結構特性按照統一的格式存放到FLASH中固定位置。系統初始化時，將這個結構讀入系統，通過分析這個結構，可以獲得關于芯片所有相關信息，包括操作指令，區塊分布等等。這樣，系統可以輕松實現對不同型號FLASH的所有操作，極大地提高了設備的擴展性。
3.2 雙模式文件系統設計
嵌入式系統中文件數據的存放一般有兩種結構，一種是索引格式的線性結構，一種是非線性的鏈表式結構。這兩種結構各有優缺點。比如對于系統配置、點陣字庫等一些具有固定結構的系統數據，索引結構比鏈表式結構更有效率。但對于經常更新的用戶數據，鏈表式結構要比索引結構更靈活。如果系統能將兩種結構集成，勢必能將性能發揮到最優。
實現這種集成的方法是將設備定義成若干個分區，每個分區相互獨立，不同分區可以使用不同的文件模式。這樣，不同類型的數據就可以根據自己的屬性選擇存放的分區。比如系統數據存放在使用索引線性結構的分區，用戶數據存放在使用鏈式非線性結構的分區。
3.3 壞塊處理
FLASH中的壞塊處理是一件很棘手的問題，如果沒有有效的管理，對系統的穩定性會造成嚴重影響。一個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，并且按塊號從小到大排序，壞塊表在讀寫過程中動態更新。當讀寫數據時，遍歷壞塊表中的塊號，將文件的邏輯地址轉換成對應FLASH 物理地址，以保證所用的FLASH地址空間不存在壞塊。
4 系統實現
4.1 結構定義
系統的存儲結構如圖1所示，在FLASH的Block0位置存放整個系統最重要的數據——系統記錄SR（System Record）。選擇Block0的原因是一般FLASH出廠時，都能保證Block0是完好的，因此可以避免壞塊問題帶來的不便。SR其實就是一個定義好的數據結構，它包括媒質信息和文件系統信息兩部分。媒質信息包括FLASH存儲器的類型、容量、塊類型的大小和數量（BlockInfo）、FLASH 操作命令（ CommandInfo ）等。文件系統信息包括版本信息、各邏輯分區的起始地址（物理地址）和結束地址。FLASH設備可以被分成一個或多個邏輯分區，每個邏輯分區采用的操作方式可以互不相同，如圖1中Device0分區采用的是線性文件系統，Device1分區采用的是鏈式文件系統。如果采用的是線性文件系統，在分區信息后面加入文件索引表INDEX起始地址、大小等信息；如果采用的是鏈式文件系統，則加入文件系統頁大小、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后的頁中，存放著邏輯分區中文件的信息，如文件總數、每個文件的文件代號、位置、長度以及校驗模式。其中，校驗模式用來標識文件讀寫時采用差錯校驗的級別。不同類型的文件采用不同級別的校驗方式。0級不進行校驗，1級ECC校驗，2級逐個字節比較。
對于線性文件系統分區，所有文件順序存儲，讀取數據時，直接通過INDEX索引得到某個文件的邏輯起始地址，然后從這個地址開始順序搜索，獲取某個偏移位置下的n個連續Byte。鏈式文件系統是將地址空間分成若干個等分，即Sector，它是操作的最小單位；一個大文件可以分布在不連續的多個 Sector中，然后通過FAT表將它們連接起來；在FLASH介質上實現鏈式文件系統，Sector大小的選擇是一個關鍵，由于FLASH的寫操作，擦操作是以Page，Block為單位的，設小了使大塊結構的FLASH寫操作復雜，設多了又浪費空間，因此最好的選擇是將Sector大小設為擦操作的最小單位16K。
整個邏輯分區中，INDEX,FAT,FRT表中的內容非常重要，一旦因為異常產生錯誤，可能會影響到所有文件；所以，這三個文件都做了備份處理，備份存放于不同的Block中。同時，在對他們處理時，改寫表中的更新狀態。0xff表示開始更新,0x00表示更新結束。在文件系統初始化時，讀取它們的更新狀態，如果表中的更新狀態為0xff，說明該表存在操作異常，可用備份表更正。
4.2 層次接口
整個存儲系統分成三層，如圖2所示。
（1）操作系統層
在整個存儲系統中，操作系統扮演的是使用者的角色。當需要數據時，它通過調用文件系統層提供的接口函數獲取數據，它不關心數據的來源和正確性。
（2）文件系統層
文件系統層的任務是實現它和操作系統層的函數接口。在實現方式上，線性文件系統和鏈式文件系統有較大區別。比如文件讀取mfread,線性文件系統直接讀取所要的字節，而鏈式文件系統是每次先把對應的整個頁讀到文件緩沖區，然后再把所需數據拷貝到讀到指定內存。文件刪除mfdelete，線性文件系統需要重新整理，不然就會因為大量的數據空洞（由于空間太小，無法放入新文件的小塊區域）使得系統很快沒有可用空間。鏈式文件系統只需修改文件系統的 FAT和FRT，而不用做其他任何處理，當下次寫入操作用到該塊時，自動完成擦除。
（3）驅動層
驅動層的任務是完成與FLASH之間的通訊協議，實現它和文件系統層的函數接口。接口函數包括頁面讀mPageRead，頁面寫mPageWrite, 塊擦除mBlockErase, 隨機讀取mRnRead, 隨機寫入mRnWrite。mPageRead，mPageWrite，mBlockErase對整頁或塊進行操作，在鏈式文件系統中調用； mRnRead, mRnWrite對字節單位進行操作，在線性文件系統中調用。其中mRnWrite比較麻煩，以寫一個Byte為例，它的操作分三步，首先將目標塊中的所有數據讀到內存Buffer中，然后將要寫入的數據更新到Buffer，擦除目標塊，最后將已更新的Buffer寫回到目標塊,這里的Buffer大小是一個Block。由于嵌入式系統的內存資源比較緊張，系統采用了塊交換技術以降低成本,方法是在FLASH中搜索一個空閑塊，用它充當Buffer的角色。
5 結論
通過上面的設計，所實現的存儲系統具有以下的特點：
（1）使用通用模式設計，增強了系統對FLASH設備的兼容性；
（2）使用雙模式文件結構設計，使不同類型的數據處理效率同時達到最優；（3）使用地址映射表，屏蔽了壞塊帶來的隱患，增強了系統的健壯性；
（4）對重要數據采用備份保護，保證不會因為斷電等異常導致系統的崩潰，增強了系統穩定性；
（5）采用塊交換技術，節約系統成本；
（6）進行分級差錯校驗，提高了系統的執行效率。
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