一種基于DSP的可循環(huán)讀寫文件系統(tǒng)設(shè)計

殷杰波

（江蘇自動化研究所，連云港222061）

引 言

在以DSP為核心的嵌入式系統(tǒng)中，尤其在需要處理和存儲大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，提供必要的文件管理功能顯得尤為重要，但大多基于DSP的嵌入式系統(tǒng)一般不提供文件管理功能。目前，以DSP為核心的嵌入式系統(tǒng)中文件的存儲一般采用FLASH存儲器，而FLASH存儲器都有自己的容量限制，不可能無限制地將所有采集到的數(shù)據(jù)全部記錄到存儲器中。針對上述問題，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于DSP的可循環(huán)讀寫的文件系統(tǒng)。其中DSP采用TI公司的TMS320C6678，存儲載體采用16片三星公司的FLASH 芯片 K9WAG08U1M，單片容量2 GB，共32 GB。該文件系統(tǒng)具有以下幾個特點(diǎn)：

①統(tǒng)一管理FLASH存儲器存儲空間，實(shí)施存儲空間的分配與回收；

②實(shí)現(xiàn)文件的按名存取，使用方便、直觀；

③向用戶提供方便使用的接口，提供對文件系統(tǒng)以及文件的操作命令。

1 文件系統(tǒng)的基本架構(gòu)與存儲空間管理

1.1 文件系統(tǒng)的基本架構(gòu)

文件系統(tǒng)中的FLASH以塊為單位組織，讀寫的最小單位是頁，每塊512頁，每頁8 192字節(jié)，按塊擦除。該文件系統(tǒng)參考FAT文件系統(tǒng)設(shè)計，F(xiàn)LASH開始部分4個數(shù)據(jù)塊為系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)，用來存儲文件系統(tǒng)信息。

存儲器操作的時間瓶頸不在于數(shù)據(jù)傳遞，而是FLASH存儲器內(nèi)部的擦除和寫操作等待。FLASH存儲器讀出的速度和DSP處理數(shù)據(jù)的速度都很快，因此雖然將頁面作為讀寫操作的基本容量單位，但額外增加的操作時間很短。

為了使文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加清晰，同時便于文件系統(tǒng)的維護(hù)、升級和移植，將文件系統(tǒng)劃分為三層[1]：文件管理層、文件邏輯層和驅(qū)動層。各層的主要功能如下：

①文件管理層對整個文件系統(tǒng)進(jìn)行封裝，為應(yīng)用層提供統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的API接口，將用戶對文件操作的請求提交給文件邏輯層進(jìn)行處理。為了增強(qiáng)文件系統(tǒng)在不同存儲器上的移植能力，選取幾個最基本的操作作為文件系統(tǒng)與FLASH存儲器設(shè)備的應(yīng)用接口。本文件系統(tǒng)提供的基本API函數(shù)見表1。

②文件邏輯層為文件管理層提供服務(wù)，把文件管理層對文件的操作轉(zhuǎn)換為物理邏輯上的操作，并提交給驅(qū)動層處理。

③驅(qū)動層實(shí)現(xiàn)對存儲設(shè)備的物理操作，包括壞塊管理、區(qū)塊擦除、頁面寫入、頁面讀出等功能。

表1 文件系統(tǒng)API函數(shù)

1.2 文件系統(tǒng)的存儲空間管理

本文件系統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)類似于MS-DOS的FAT文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別由系統(tǒng)記錄、文件登記表、文件分配表和文件數(shù)據(jù)區(qū)域等組成[2]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）系統(tǒng)記錄（SR）

系統(tǒng)記錄（SR）存放存儲器物理信息和文件系統(tǒng)分區(qū)信息。存儲器物理信息包括存儲器的類型、容量、劃分成多少個區(qū)塊、每區(qū)塊包含多少個頁面等。文件系統(tǒng)分區(qū)信息包括分區(qū)的起始塊和結(jié)束塊、分區(qū)的起始頁和結(jié)束頁、分區(qū)大小、可用空間等信息。系統(tǒng)記錄占用256字節(jié)，其中前48字節(jié)為存儲器物理信息，有效數(shù)據(jù)40字節(jié)；后208字節(jié)為文件系統(tǒng)分區(qū)信息，有效數(shù)據(jù)168字節(jié)。具體的存儲定義見表2、表3。

（2）文件登記表（FRT）

文件登記表（FRT）存放文件系統(tǒng)中每一個文件的文件代號、文件長度、文件屬性以及該文件的存儲鏈在文件分配表中的入口?？紤]到嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，本文件系統(tǒng)不支持子目錄結(jié)構(gòu)。文件登記表占用15.75 KB，每個文件節(jié)點(diǎn)占用32字節(jié)，因此，該文件系統(tǒng)可管理15.75 KB/32 B＝504個文件。文件登記表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表4。

圖1 文件系統(tǒng)存儲結(jié)構(gòu)圖

表2 存儲器物理信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表3 系統(tǒng)分區(qū)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表4 文件登記表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（3）文件分配表（FAT）

文件分配表（FAT）是整個文件系統(tǒng)的核心，存放著存儲器上所有區(qū)塊的占用與空閑情況以及每個文件的存儲鏈接結(jié)構(gòu)?？紤]到在嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn)的方便性并權(quán)衡文件系統(tǒng)應(yīng)用的規(guī)模，選擇將文件分配表固定為16字節(jié)的FAT標(biāo)識，16 KB可標(biāo)識8K個塊，每塊占用2字節(jié)，共可管理32 GB的FLASH。

（4）數(shù)據(jù)區(qū)域（Data Aera）

數(shù)據(jù)區(qū)域（Data Aera）用于存放文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容。本文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分配的最小單位是存儲器的一個基本擦除單位，即一個物理區(qū)塊，大小為4 MB。也就是說，文件所占用的存儲空間必須為一個物理區(qū)塊的整數(shù)倍，即使文件只有1字節(jié)，也要占用一個物理區(qū)塊的存儲空間。

2 文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 文件系統(tǒng)的初始化

當(dāng)文件系統(tǒng)被加載時，系統(tǒng)首先掃描整個存儲介質(zhì)。將存儲在介質(zhì)中的系統(tǒng)信息表、文件登記表、文件分配表從存儲介質(zhì)中讀取到內(nèi)存，建立臨時系統(tǒng)信息表和臨時文件列表，創(chuàng)建一個臨時文件分配表。這樣，文件系統(tǒng)對文件登記表和文件分配表的操作轉(zhuǎn)換成對內(nèi)存中兩個臨時表的操作。因?yàn)閮?nèi)存的讀寫效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于FLASH，因此可以大幅提高文件系統(tǒng)的操作效率。文件系統(tǒng)初始化流程圖如圖2所示。

圖2 文件系統(tǒng)初始化流程圖

2.2 降低文件系統(tǒng)的資源消耗

基于DSP的FLASH文件系統(tǒng)的資源消耗[3]，主要包括程序代碼開銷、處理器占用時間、運(yùn)行時內(nèi)存開銷以及額外的FLASH存儲器消耗。其中，運(yùn)行時內(nèi)存開銷很大程度上限制了FLASH文件系統(tǒng)的應(yīng)用；而設(shè)計結(jié)構(gòu)的改善與運(yùn)行時內(nèi)存開銷直接相關(guān)，因此針對資源消耗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要著重于減小運(yùn)行時的內(nèi)存開銷。

FLASH存儲器的擦除單位是區(qū)塊，這是本文件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲分配的最小單元。如果不采用任何措施，運(yùn)行時內(nèi)存開銷中將至少包括備份一個完整區(qū)塊數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；而一個FLASH存儲器的區(qū)塊可能很大，這在很多嵌入式系統(tǒng)中都是過大的資源[4]。

為此，采用交換緩沖區(qū)（Swap Buffer）技術(shù)來解決這個困難。當(dāng)需要向某一個區(qū)塊寫入數(shù)據(jù)時，并不直接向該區(qū)塊寫入，而是首先擦除用于做交換緩沖區(qū)的區(qū)塊，然后逐步向交換緩沖區(qū)填入目的數(shù)據(jù)內(nèi)容。此時任何有用數(shù)據(jù)內(nèi)容都未被破壞，所以運(yùn)行內(nèi)存中的緩沖就較小。當(dāng)交換緩沖區(qū)填寫完成后，再擦除目的區(qū)塊，拷貝交換緩沖區(qū)內(nèi)容到目的區(qū)塊。

采用交換緩沖區(qū)后，對內(nèi)存中的緩沖區(qū)大小沒有特別要求，考慮到FLASH存儲器的操作特性，選取FLASH存儲器的頁面容量作為內(nèi)存緩沖區(qū)大小。在結(jié)構(gòu)上做了上述改進(jìn)后，可大幅降低文件系統(tǒng)在運(yùn)行時的內(nèi)存消耗。在一般的FLASH存儲器中都有一個特別制作的區(qū)塊，該區(qū)塊保證不會損壞，適用于做交換緩沖區(qū)。這樣可以省去中間交換緩沖過程的數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)，加快寫操作的速度。

2.3 文件系統(tǒng)的可循環(huán)讀寫

由于FLASH具有讀寫速度較快而擦除較慢的特點(diǎn)[5]，寫入過程中，當(dāng)系統(tǒng)存儲空間不足需要擦除數(shù)據(jù)時，將出現(xiàn)擦除過程尚未結(jié)束而再次申請寫入的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)寫入錯誤。為了避免這一錯誤，在該文件系統(tǒng)中設(shè)計了一個擦除隊列，并保留一定的存儲空間。當(dāng)檢測到系統(tǒng)的剩余存儲空間小于保留空間的大小時，把舊的數(shù)據(jù)塊放入待擦除隊列，在寫入數(shù)據(jù)的間隙擦除數(shù)據(jù)，同時緩存待寫入數(shù)據(jù)，擦除完成后繼續(xù)寫入過程。文件系統(tǒng)的循環(huán)讀寫流程圖如圖3所示。

圖3 循環(huán)讀寫流程圖

2.4 文件系統(tǒng)的高可靠性設(shè)計

在多數(shù)嵌入式文件系統(tǒng)中，僅僅對數(shù)據(jù)區(qū)域提供壞損管理，而對于系統(tǒng)記錄、文件分配表和文件登記表這3個極重要的文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)卻未做任何保護(hù)。一旦這些區(qū)域的內(nèi)容失效，必然將導(dǎo)致文件數(shù)據(jù)的大量損失。

針對FLASH存儲器的寫操作異常終止問題（如非正常關(guān)電），本文件系統(tǒng)中將系統(tǒng)記錄、文件分配表和文件登記表這3個文件系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用冗余存儲的方法進(jìn)行處理。這樣可以避免因它們的操作異常，而導(dǎo)致的整個文件系統(tǒng)失效。

具體做法是：將本次對文件操作所對應(yīng)的系統(tǒng)信息記錄標(biāo)記為最新，以此類推，則上次所做操作對應(yīng)的系統(tǒng)記錄為次新記錄。對系統(tǒng)記錄定義4個系統(tǒng)記錄保留區(qū)塊，將系統(tǒng)記錄、文件分配表和文件登記表順序存放在這個區(qū)域 內(nèi)，確切 的 位置 在文 件 系統(tǒng) 初 始化 時通 過 掃描找到最新的系統(tǒng)記錄。

如此可確保FLASH存儲器上總是存有一整套完好的較新的系統(tǒng)記錄表、文件分配表和文件登記表。在系統(tǒng)啟動運(yùn)行時，文件系統(tǒng)首先確定每一張表備份的合法性和時效性，判斷出上次系統(tǒng)關(guān)閉時是否存在操作異常終止并及時更正。通過這樣的設(shè)計，即使文件系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)了寫操作異常終止的情況，錯誤也只涉及當(dāng)時被操作的文件數(shù)據(jù)，不會擴(kuò)散給FLASH文件系統(tǒng)中的其他文件，更不會因此損壞3個文件系統(tǒng)表結(jié)構(gòu)而造成整個文件系統(tǒng)的癱瘓。

結(jié) 語

本文介紹了一種在DSP環(huán)境下開發(fā)文件系統(tǒng)的方法，并最終在項目中實(shí)現(xiàn)了該文件系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，很好地滿足了項目在數(shù)據(jù)存儲和文件管理方面的需求。

本系統(tǒng)軟件主體代碼以C語言寫成，使用一個非常小的存儲器設(shè)備驅(qū)動接口，具有較好的可擴(kuò)展及可移植能力。另外，本文件系統(tǒng)針對FLASH本身的特性，采用冗余存儲和三層結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了文件系統(tǒng)的可靠性和操作效率，并具有良好的可維護(hù)性。

[1]郁玉蘭.基于DSP平臺的嵌入式文件系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].上海：上海交通大學(xué)，2005.

[2]高永占.基于SD卡的嵌入式文件系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[3]Tanenbaum A S.操作系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[M].王鵬，尤晉元，朱鵬，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，1998.

[4]張堯?qū)W.計算機(jī)操作系統(tǒng)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

[5]董明.適宜于嵌入式多媒體應(yīng)用的Flash文件系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002（9）：24-27.