嵌入式系統(tǒng)中基于閃存平臺(tái)的存儲(chǔ)管理策略

李建勛，樊曉光，禚真福

(空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710038)

在嵌入式系統(tǒng)中，由于閃存成本低、容量大、非易失、訪(fǎng)問(wèn)速度高和機(jī)械故障少的優(yōu)勢(shì)已逐漸成為最流行的存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。然而，閃存常見(jiàn)的用法是簡(jiǎn)單的流模式，它沒(méi)有提供文件的存儲(chǔ)和管理功能。解決問(wèn)題的方法是建立一個(gè)管理存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)信息的文件系統(tǒng)。目前，商用閃存文件系統(tǒng)（FFS）通常是與DOS兼容，這將產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜的文件目錄[1]，這種系統(tǒng)不實(shí)用且浪費(fèi)資源。

由于嵌入式系統(tǒng)軟硬件的限制，在應(yīng)用于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)(例如用于Win32/DOS的FAT和用于Linux的EXT)時(shí)，必須進(jìn)行相應(yīng)修改以適應(yīng)嵌入式環(huán)境。在通用的文件系統(tǒng)趨向于簡(jiǎn)單化和專(zhuān)業(yè)化的進(jìn)程中，研究主要集中在以下幾個(gè)方面[2，3]：在一個(gè)小的高速存儲(chǔ)器上實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)處理速度和有限資源的平衡；實(shí)現(xiàn)特定性能，如用于滿(mǎn)足不同的嵌入式應(yīng)用環(huán)境的數(shù)據(jù)加密和運(yùn)行的可靠性的功能；提高嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。事實(shí)上，不少嵌入式系統(tǒng)是根據(jù)客戶(hù)的特殊要求定做的。針對(duì)這種情況，開(kāi)發(fā)了具有高可靠性的簡(jiǎn)化嵌入式閃存文件系統(tǒng)，與復(fù)雜的商用文件系統(tǒng)相比，這個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)更實(shí)用。

1 FFS存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和框架

嵌入式系統(tǒng)中閃存有以下特點(diǎn)：(1)閃存以扇區(qū)為單位執(zhí)行，如果修改扇區(qū)內(nèi)1 B的數(shù)據(jù)，則整個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)都將被重寫(xiě)；(2)通常任一扇區(qū)可重寫(xiě)大約0.1～1萬(wàn)次；(3)損壞扇區(qū)難免。在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用了閃存特性和局部處理程序訪(fǎng)問(wèn)特征，在邏輯上非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)流模式被應(yīng)用到FFS，在物理上存儲(chǔ)空間以扇區(qū)為基礎(chǔ)分成不同的塊[4]。閃存文件系統(tǒng)（FFS）不僅提供了根據(jù)文件名查找和訪(fǎng)問(wèn)文件，使得有限的存儲(chǔ)空間得到合理和充分利用，而且還提供基于存儲(chǔ)內(nèi)容的擦寫(xiě)策略損壞扇區(qū)的適應(yīng)性管理，因此，在某種程度上FFS的可靠性有所提高。

為了使閃存文件系統(tǒng)在不同的平臺(tái)上更易于進(jìn)行維護(hù)、升級(jí)和移植，基于Madnick分層模型設(shè)計(jì)了一個(gè)文件系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)。圖1所示的文件系統(tǒng)包括2個(gè)主要統(tǒng)信息，如閃存類(lèi)型、容量、扇區(qū)數(shù)和扇區(qū)利用現(xiàn)狀。這個(gè)扇區(qū)的利用狀況包括文件數(shù)、未使用的扇區(qū)數(shù)、損壞扇區(qū)數(shù)、第一個(gè)和最后一個(gè)未使用的扇區(qū)編號(hào)。圖3顯示了在SRA上的內(nèi)存分配。文件信息區(qū)域（FIA）用于存儲(chǔ)文件的詳細(xì)信息，如文件名、文件類(lèi)型、文件大小、文件屬性和閃存鏈表項(xiàng)。程序數(shù)據(jù)區(qū)（PDA）用于存儲(chǔ)程序數(shù)據(jù)。在圖2陰影部分是每個(gè)區(qū)域損壞的扇區(qū)。如果損壞的扇區(qū)數(shù)達(dá)到給定界限值，警報(bào)將自動(dòng)啟動(dòng)。圖3為SRA上的內(nèi)存分配情況，不同部分存儲(chǔ)特定的記錄信息：1為閃存內(nèi)存類(lèi)型；2為閃存內(nèi)存容量；3為扇區(qū)數(shù)；4為文件數(shù)；5為未使用扇區(qū)數(shù)；6為損壞的扇區(qū)數(shù)；7為最后一次寫(xiě)入FIA的扇區(qū)組數(shù)；8為第一個(gè)未使用扇區(qū)號(hào)；9為最后未使用扇區(qū)號(hào)；10為系統(tǒng)記錄控制的關(guān)鍵字；11為下一個(gè)要寫(xiě)入的扇區(qū)號(hào)。部分：文件管理單元和存儲(chǔ)空間管理單元。較低層為上層部分提供服務(wù)。每一層僅涉及接口，而不是更低或上層內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 在SRA上的內(nèi)存分配

2 存儲(chǔ)空間管理

作為嵌入式系統(tǒng)的一部分，閃存存儲(chǔ)管理的主要功能包括提高使用效率、加快執(zhí)行速度和根據(jù)其物理特性使用特殊算法管理閃存內(nèi)存單元的使用頻率[5]。存儲(chǔ)空間管理單元在邏輯上由3個(gè)層次組成：文件物理層、存儲(chǔ)設(shè)備分配層和閃存驅(qū)動(dòng)層[6]。閃存驅(qū)動(dòng)層為上層提供最基本的驅(qū)動(dòng)程序，如下：

2.1 存儲(chǔ)扇區(qū)管理

本文開(kāi)發(fā)的FFS存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)類(lèi)似于MS-DOS的FAT，是FAT系統(tǒng)的修改。圖2顯示了一系列模式的基本存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)記錄區(qū)（SRA）存儲(chǔ)介質(zhì)信息和最重要的文件系

不同的系統(tǒng)有不同的存儲(chǔ)空間管理模式，最簡(jiǎn)單的可能是一個(gè)命令模式，但它并不適用于某些特殊應(yīng)用。例如，在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中使用命令模式，用戶(hù)不方便編輯、修改或者刪除由各種機(jī)器處理指令組成的G代碼程序。另一個(gè)常用的方式是靜態(tài)存儲(chǔ)模式，這意味著每一個(gè)文件分配固定的扇區(qū)數(shù)。在這種情況下，如果文件大小超過(guò)了給定的空間，雖然仍有未使用的扇區(qū)，但寫(xiě)操作卻不能成功完成。同樣，小文件顯然將導(dǎo)致存儲(chǔ)空間浪費(fèi)。此外，由于過(guò)度頻繁地訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)文件，與其他的扇區(qū)相比這樣的扇區(qū)更易于損壞。因此，靜態(tài)存儲(chǔ)模式不是一個(gè)很好的選擇。

為了克服這些問(wèn)題，提出了一個(gè)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間管理模式，采用平均擦除和寫(xiě)入策略。先入先出（FIFO）的引入，保證了閃存存儲(chǔ)扇區(qū)的平均使用。當(dāng)系統(tǒng)第一次加電，未使用的扇區(qū)都初始化為一個(gè)雙鏈表。此后，這些扇區(qū)應(yīng)該從鏈表頭節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)到尾節(jié)點(diǎn)。這樣，在訪(fǎng)問(wèn)每個(gè)扇區(qū)的頻率將趨于平等，每個(gè)扇區(qū)將不會(huì)過(guò)度頻繁讀取/寫(xiě)入。假設(shè)鏈表有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)扇區(qū)訪(fǎng)問(wèn)的概率只有1/N，因此，閃存的使用壽命可以明顯延長(zhǎng)。

相對(duì)而言，基于MS-DOS的FAT系統(tǒng)只為數(shù)據(jù)區(qū)提供損害管理，卻忽視了文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)區(qū)域。相對(duì)地，SRA作為FFS結(jié)構(gòu)區(qū)域，由于存儲(chǔ)了系統(tǒng)關(guān)鍵信息而成為最重要的區(qū)域。而且，由于頻繁訪(fǎng)問(wèn)，SRA往往更易損壞。因此，這一區(qū)域應(yīng)當(dāng)運(yùn)用一種安全策略。根據(jù)在SRA、FIA和PDA存放的數(shù)據(jù)的重要性不同，不同存儲(chǔ)區(qū)域應(yīng)當(dāng)分配不同的可靠性要求。因此，可以充分利用閃存存儲(chǔ)能力，寫(xiě)校驗(yàn)時(shí)間將會(huì)減少，從而寫(xiě)速度將有所改善。

2.2 SRA的平均擦除和寫(xiě)入管理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)System record area(SRA)平均擦除和寫(xiě)管理，避免由系統(tǒng)記錄扇區(qū)物理?yè)p傷而導(dǎo)致整體系統(tǒng)的故障，SRA被平均劃分成3個(gè)小組。3組依次進(jìn)行寫(xiě)操作，可以為系統(tǒng)記錄存儲(chǔ)安全提供一個(gè)冗余策略，從而提高系統(tǒng)的可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。這對(duì)于每次在系統(tǒng)通電之后獲取SRA代碼值是必要的。由系統(tǒng)記錄關(guān)鍵字（SysKeyword）控制的值，標(biāo)記著系統(tǒng)關(guān)閉前最后一次寫(xiě)操作的系統(tǒng)扇區(qū)的執(zhí)行記錄，它顯示為：

在系統(tǒng)初始化時(shí)，SRA中每組的相應(yīng)系統(tǒng)變量關(guān)鍵字(1～3)初始化為0。在后續(xù)操作中，各組關(guān)鍵字(SysKeyword)的真實(shí)值應(yīng)該更新，在系統(tǒng)每次啟動(dòng)時(shí)分別從SRA讀出。因此，SysCodeValue的值可根據(jù)式(1)得到。執(zhí)行最后一次寫(xiě)操作的組號(hào)可以通過(guò)調(diào)用函數(shù)GetLast-Group-Num()獲得。一旦SRA的記錄數(shù)據(jù)被更改，系統(tǒng)關(guān)鍵字應(yīng)該相應(yīng)更新。然后包括SysKeyword的記錄數(shù)據(jù)，應(yīng)寫(xiě)入到根據(jù)以下方法獲得的相應(yīng)扇區(qū)。

下一次將被寫(xiě)入的該系統(tǒng)記錄扇區(qū)的組號(hào)與轉(zhuǎn)移的參量LastGroupNum可以通過(guò)調(diào)用函數(shù)GetNextGroup-Num(Uchar LastGroupNum)共同獲得。SysCodeValue的值將更新如下：

通過(guò)組合式(1)和式(2)可以得到每組SysKeyword的值，因此，可以迅速查出最新和最舊的記錄。該方法是一種快速計(jì)算和跟蹤策略，這樣，根據(jù)得到的組號(hào)和SysKeyword的值，寫(xiě)操作可以順利執(zhí)行。

該系統(tǒng)記錄扇區(qū)的詳細(xì)參數(shù)值如表1所示。

3 文件管理

文件管理層（FML）封裝了整個(gè)文件系統(tǒng)，并且為操作系統(tǒng)和上層的應(yīng)用程序提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的程序接口(APIs)。用戶(hù)操作請(qǐng)求將被APIs移交到文件的邏輯層（FLL），然后將請(qǐng)求發(fā)送到文件的物理層（FPL）。

3.1 文件編輯

文件系統(tǒng)應(yīng)提供友好的用戶(hù)界面，用戶(hù)可以操作文件，無(wú)需考慮文件的結(jié)構(gòu)或物理位置。圖4顯示編輯一個(gè)存儲(chǔ)在閃存的文件流程圖。首先要遍歷文件信息鏈表，根據(jù)文件名來(lái)查找存儲(chǔ)此文件信息的節(jié)點(diǎn)。因此，該文件存儲(chǔ)空間的第一個(gè)扇區(qū)可獲取，后續(xù)扇區(qū)依次獲取。然后，每個(gè)扇區(qū)將逐個(gè)讀取，數(shù)據(jù)將被寫(xiě)入緩沖區(qū)。通過(guò)建立一個(gè)雙鏈表顯示數(shù)據(jù)，然后通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行編輯操作。最后，將修改后的數(shù)據(jù)寫(xiě)回到閃存，文件信息和系統(tǒng)記錄將自動(dòng)更新。

圖4 文件編輯流程

3.2 文件存儲(chǔ)和文件刪除

連續(xù)的文件存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)模式(如圖5中的文件N005和N011)在存儲(chǔ)前，文件通常被劃分成為大小相等的多個(gè)數(shù)據(jù)塊（除最后一個(gè)塊的大小可能小于其他塊）。塊的數(shù)量是由文件和塊大小決定，而塊的大小與存儲(chǔ)介質(zhì)有關(guān)。在本文中，閃存的存儲(chǔ)單元(即扇區(qū))為256 B，因此，該塊的大小建議不超過(guò)256 B。在這里，把文件劃分為252 B大小的塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊占用一個(gè)扇區(qū)的存儲(chǔ)空間。因此，塊的數(shù)量(即被占用的扇區(qū)數(shù))可以計(jì)算出，這是最低整數(shù)不少于文件字節(jié)大小除以塊字節(jié)大小所得的商數(shù)。然后未使用的扇區(qū)鏈表的頭節(jié)點(diǎn)作為這個(gè)文件存儲(chǔ)空間的第一個(gè)扇區(qū)。緊隨第一個(gè)扇區(qū)，很多未使用的扇區(qū)被取出后，整個(gè)文件的存儲(chǔ)空間可用。因此，該文件成功保存。

表1 系統(tǒng)記錄扇區(qū)參數(shù)值

閃存的地址空間不允許隨意被刪除，刪除一個(gè)文件時(shí)必須把扇區(qū)作為一個(gè)刪除單元。因此，刪除一個(gè)文件，要使用與編輯操作相同的手段獲得該文件節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)信息，這樣文件的信息可以使用。有了文件信息，文件的存儲(chǔ)空間的第一個(gè)扇區(qū)可以得到，其他的也可以依次得到。然后未使用的扇區(qū)鏈表上的扇區(qū)可以通過(guò)調(diào)用函數(shù)FreeSect（Ulong SectNum）釋放第一個(gè)扇區(qū)。最后，根據(jù)雙鏈表的原則，這個(gè)節(jié)點(diǎn)將被刪除。

圖5為一個(gè)文件創(chuàng)建和刪除過(guò)程的示例。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)文件(文件名為N005，大小為912 B，第一個(gè)扇區(qū)是5號(hào))，未使用扇區(qū)鏈表的頭節(jié)點(diǎn)作為這個(gè)文件的存儲(chǔ)空間的第一個(gè)扇區(qū)（扇區(qū)號(hào)為5）。同時(shí)，在文件信息鏈表的尾節(jié)點(diǎn)寫(xiě)文件信息。這個(gè)文件的存儲(chǔ)扇區(qū)數(shù)可以計(jì)算出來(lái)，結(jié)果被證明是4。然后，從未使用的扇區(qū)鏈表頭部，4個(gè)扇區(qū)依次用于存儲(chǔ)文件數(shù)據(jù)。從而，文件信息和系統(tǒng)記錄更新后，文件的創(chuàng)建操作完成。

要?jiǎng)h除文件(文件名是N011，文件大小為2 026 B，第一個(gè)扇區(qū)編號(hào)為6)，根據(jù)文件名N011，通過(guò)遍歷文件信息鏈表獲取文件信息節(jié)點(diǎn)，根據(jù)存儲(chǔ)在此節(jié)點(diǎn)文件信息，可以獲得文件大小和存儲(chǔ)空間項(xiàng)（即文件的第一個(gè)扇區(qū)）。扇區(qū)數(shù)目也可以計(jì)算出來(lái)。由于指針?biāo)饕赶蛳乱粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)扇區(qū)被釋放，并連接到未使用扇區(qū)鏈表尾節(jié)點(diǎn)。最后的操作是從文件信息鏈表刪除這個(gè)節(jié)點(diǎn)。與此同時(shí)，文件信息和系統(tǒng)的記錄應(yīng)該更新。

通過(guò)在一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)上的有效且成功應(yīng)用充分展示了FFS的良好性能。這個(gè)FFS經(jīng)過(guò)略微的修改即可在不同的嵌入式平臺(tái)上進(jìn)行移植，且具有一定的普遍性。

為了提高存儲(chǔ)和管理嵌入式平臺(tái)上文件數(shù)據(jù)的性能，本文提出了一種新的應(yīng)用于閃存文件系統(tǒng)（FFS）的策略，其特點(diǎn)可以描述如下：

(1)減少寫(xiě)周期提高寫(xiě)入速度。

(2)采用動(dòng)態(tài)分配存儲(chǔ)空間，提高利用效率和延長(zhǎng)閃存的使用壽命。

(3)相應(yīng)的文件被刪除后，存儲(chǔ)扇區(qū)可以很快被釋放，并可以連接到未使用的扇區(qū)鏈表。

(4)當(dāng)損壞扇區(qū)的數(shù)量到達(dá)設(shè)置值時(shí)自動(dòng)報(bào)警，確保系統(tǒng)處于良好狀態(tài)。

(5)FAT分配的內(nèi)存空間存儲(chǔ)指針以數(shù)組的形式作為全局變量。

(6)為延長(zhǎng)內(nèi)核扇區(qū)壽命確保系統(tǒng)啟動(dòng)可靠服務(wù)，采用冗余設(shè)計(jì)、快速計(jì)算和追蹤策略。

因此，本文中的FFS，特別是在可靠性、存儲(chǔ)效率和良好的可移植性方面已獲得明顯的成效。

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