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<BR> 摘要：以TRI公司的基于NOR Flash的Flash管理軟件FMM為例，詳細(xì)介紹嵌入式系統(tǒng)中<BR> 如何根據(jù)Flash的物理特性來進(jìn)行Flash存儲(chǔ)管理。 <BR> 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) Flash FMM</P><P> 引言</P><P> 在當(dāng)前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC（Post-PC）時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛<BR> 地滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文件藝術(shù)、娛樂業(yè)以及人們的<BR> 日常生活等方方面面中。隨著嵌入式系統(tǒng)越來越廣泛的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和<BR> 數(shù)據(jù)管理已經(jīng)成為一個(gè) <BR> 匾目翁獍讜諫杓迫嗽泵媲啊 </P><P> Flash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<BR> 丟失等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)逐步取代其它半導(dǎo)體存儲(chǔ)元件，成為嵌入式系統(tǒng)中主要數(shù)據(jù)<BR> 和程序載體。</P><P> 作為嵌入式系統(tǒng)的一部分，F(xiàn)lash存儲(chǔ)管理的主要功能是針對Flash自身的物理特性，利用<BR> 一些特定的算法來提高Flash的使用效率，加快操作速度和管理Flash各單元的使用頻率。</P><P> 1 Flash存儲(chǔ)器簡介</P><P> 嵌入式系統(tǒng)中使用的Flash主要分為NOR和NAND兩種類型。這里我們以NOR型Flash為例進(jìn)行<BR> 介紹。NOR型Flash主要特點(diǎn)如下：</P><P> *體積小、容量大，目前可以達(dá)到十幾MB。</P><P> *掉電數(shù)據(jù)不丟失，數(shù)據(jù)可以保存10～100年。</P><P> *有獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線，可以快速地通過總線讀取數(shù)據(jù)。因此它具有和靜態(tài)RAM相同的<BR> 讀取速度，既可以作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也可以作為程序存儲(chǔ)器使用。</P><P> *寫入操作必須通過指令序列來完成，以字節(jié)（Byte）或字（Word）為單位，每寫入一個(gè)<BR> Byte或Word需十幾μs。</P><P> *擦除也通過指令序列完成，以塊（Block）為單位，通常塊的大小為64K。每擦除一個(gè)塊<BR> 需要十幾ms。</P><P> *由于Flash有一定的使用壽命，一般為10～100萬次。所以隨著使用次數(shù)的增加，會(huì)有一<BR> 些單元逐漸變得不穩(wěn)定或失效，因此必須能夠?qū)ζ錉顟B(tài)加以識(shí)別。</P><P> 2 Flash存儲(chǔ)管理的作用</P><P> 由Flash特點(diǎn)可以看出，操作Flash需要注意以下幾點(diǎn)：</P><P> *必須以幾K～幾十K的塊為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作；</P><P> *擦除操作耗時(shí)較多，應(yīng)減少擦除操作；</P><P> *盡量避免頻繁地對同一地址操作，以免造成局部單元提前損壞。</P><P> 另外，大部分嵌入式操作系統(tǒng)所掛接的文件系統(tǒng)是建立在以扇區(qū)（Sector）為單位的磁盤<BR> 操作基礎(chǔ)上（通常為512字節(jié)/扇區(qū)）。因此也需要一段特殊的Flash存儲(chǔ)管理程序來解決<BR> 以扇區(qū)為單位的文件系統(tǒng)接口和以塊為單位的Flash物理特性之間的矛盾；同時(shí)，完成各<BR> 塊之間的擦寫次數(shù)均衡和<BR> 壞塊管理等工作。Flash存儲(chǔ)管理程序在系統(tǒng)中的位置如圖1所示。</P><P> 本文以TRI公司的FMM為例，說明Flash存儲(chǔ)管理模塊和如何完成這些功能的。</P><P> 3 FMM介紹</P><P> FMM（Flash Media Manager）是由TRI公司開發(fā)的專門針對NOR型Flash的管理軟件，其主<BR> 要特點(diǎn)如下：</P><P> *動(dòng)態(tài)映射OS的邏輯扇區(qū)到物理地址；</P><P> *所有物理塊進(jìn)行壽命均衡，同時(shí)可記錄Flash的擦寫次數(shù)；</P><P> *掉電數(shù)據(jù)恢復(fù)，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；</P><P> 創(chuàng)建壞塊表進(jìn)行壞塊管理，保證系統(tǒng)的可靠性。</P><P> 為了更好地介紹FMM的操作流程，這里先作幾點(diǎn)說明。</P><P> （1）存儲(chǔ)空間管理</P><P> 為了實(shí)現(xiàn)以扇區(qū)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)管理，F(xiàn)MM首先對Flash中的塊內(nèi)存儲(chǔ)空間邏輯上進(jìn)行了重新<BR> 定義，每個(gè)物理塊內(nèi)部又重新劃分成了若干物理扇區(qū)。每個(gè)物理塊內(nèi)部又重新劃分成了若<BR> 干物理扇區(qū)。每個(gè)物理扇區(qū)由512+4字節(jié)=516（0x204）字節(jié)組成。512字節(jié)為有效數(shù)據(jù)空<BR> 間，另外4字節(jié)（32位）<BR> 用于存放邏輯扇區(qū)另和當(dāng)前狀態(tài)。定義如下：</P><P> 扇區(qū)狀態(tài) 邏輯扇區(qū)號 數(shù)字空間 <BR> 4位 28位 125字節(jié) </P><P> 扇區(qū)狀態(tài)有4種，用于進(jìn)行掉電數(shù)據(jù)恢復(fù)：</P><P> FREE—空扇區(qū)（0xF）；</P><P> DVALID—扇區(qū)數(shù)據(jù)無效（0xE）；</P><P> INUSE—扇區(qū)數(shù)據(jù)有效（0xC）；</P><P> DIRTY—扇區(qū)數(shù)據(jù)無用，可擦除（0x8）。</P><P> 以64K大小的塊為例，可以計(jì)算出每個(gè)塊中可以劃分出127個(gè)扇區(qū)；另外，還會(huì)有4字節(jié)的<BR> 空間，專門用于標(biāo)志下一個(gè)被整理塊。標(biāo)記為0x80，否則為0xffffffff。</P><P> 因此可以得出物理扇區(qū)和絕對地址之間的對應(yīng)關(guān)系：</P><P> 絕對地址=Flash基地址+物理扇區(qū)號×0x204+所在塊號×4</P><P> （2）扇區(qū)分類</P><P> FMM中將扇區(qū)分為ID扇區(qū)和數(shù)據(jù)扇區(qū)兩類：</P><P> ①FMM會(huì)占用N個(gè)扇區(qū)作為標(biāo)識(shí)ID（Identification）扇區(qū)，占用邏輯扇區(qū)號0～N。這一部<BR> 分扇區(qū)是文件系統(tǒng)不能使用的，是FMM用于管理所占用的存儲(chǔ)空間。因此文件系統(tǒng)所管理<BR> 的邏輯扇區(qū)號必須從N+1開始。</P><P> ID扇區(qū)主要包含如下數(shù)據(jù)：FMM版本號、寫入（擦除）次數(shù)EraseCount、用戶標(biāo)識(shí)和壞扇<BR> 區(qū)表。</P><P> N的取值與壞扇區(qū)表的大小有關(guān)，每個(gè)FMM管理的物理扇區(qū)占用表中的1位。在每次存<BR> 儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過查詢表中的相應(yīng)位來確定該扇區(qū)的有效性。</P><P> ②數(shù)據(jù)扇區(qū)，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。</P><P> （3）空間映射表（Mapping Table）</P><P> 由于Flash不能像普通磁盤那樣進(jìn)行字節(jié)的修改，甚至不能以扇區(qū)為單位進(jìn)行修改；而只<BR> 能以塊為單位進(jìn)行修改；但如果只是簡單將物理扇區(qū)和邏輯扇區(qū)一一對應(yīng)，那么如果我們<BR> 想對扇區(qū)修改就必須將整個(gè)塊的內(nèi)容都擦除，然后再將修改后的內(nèi)容回寫；勢必會(huì)造成時(shí)<BR> 間和Flash壽命的損失。<BR> 因此，建立一個(gè)物理扇區(qū)號和邏輯扇區(qū)號的空間映射表，使邏輯扇區(qū)與物理扇區(qū)號進(jìn)行動(dòng)<BR> 態(tài)的匹配。這樣，在修改某個(gè)扇區(qū)的內(nèi)容時(shí)只要將數(shù)據(jù)寫入一個(gè)新的扇區(qū)，然后將原扇區(qū)<BR> 標(biāo)記為DIRTY就可以了。這樣，還可以消除頻繁修改某個(gè)扇區(qū)帶來的壽命不均的影響。</P><P> 映射表是建立在內(nèi)存中的項(xiàng)數(shù)為M（扇區(qū)總數(shù)）的數(shù)組，每項(xiàng)占用4字節(jié)，用于存放對應(yīng)的<BR> 物理扇區(qū)號。當(dāng)某項(xiàng)為空（NULL）時(shí)，認(rèn)為該扇區(qū)空閑，未使用，如圖2所示。</P><P> 4 FMM模塊操作</P><P> 按功能，可以將FMM分解為4個(gè)基本模塊：格式化模塊、初始化模塊、存取模塊和空間整理<BR> 模塊。以下簡單掃描各模塊的操作流程。</P><P> （1）格式化模塊</P><P> 對數(shù)據(jù)空間進(jìn)行初級格式化，建立ID扇區(qū)。該模塊在第一次使用數(shù)據(jù)盤之前調(diào)用，相當(dāng)于<BR> 低級格式化。過程如下：</P><P> ①調(diào)用FMM初始化模塊，根據(jù)結(jié)果判斷該存儲(chǔ)體是否含有FMM控制信息。如果有，將擦除次<BR> 數(shù)計(jì)數(shù)器EraseCount加1，否則置為1。</P><P> ②調(diào)用Flash驅(qū)動(dòng)程序，將FMM所管理的空間全部擦除。</P><P> ③將Block0的標(biāo)志置為0x80，即下一個(gè)被整理的Block，也是第一個(gè)非空Block。</P><P> ④收集有關(guān)信息，創(chuàng)建ID扇區(qū)寫入Flash。</P><P> ⑤在內(nèi)存中創(chuàng)建空間映射表。</P><P> 空間映射表的創(chuàng)建過程如下：</P><P> ①清空內(nèi)存中為映射表和ID扇區(qū)申請的空間。</P><P> ②將Flash中的ID扇區(qū)內(nèi)容讀入內(nèi)存中。</P><P> ③掃描整個(gè)物理空間，依次讀入每個(gè)物理扇區(qū)的狀態(tài)和邏輯扇區(qū)號，將狀態(tài)為INUSE的邏<BR> 輯扇區(qū)號裝入空間映射表的對應(yīng)位置，并記錄INUSE和DIRTY扇區(qū)的數(shù)目。</P><P> ④修復(fù)掃描中發(fā)現(xiàn)的DAVLID扇區(qū)數(shù)據(jù)。</P><P> 修復(fù)DAVLID扇區(qū)的過程如下：</P><P> ①取出DVALID扇區(qū)的邏輯扇區(qū)號。</P><P> ②如果邏輯扇區(qū)號為NULL，跳到步驟⑤。</P><P> ③查詢空間映射表，如果對應(yīng)的物理扇區(qū)號為NULL，跳到步驟⑤。</P><P> ④將查到的物理扇區(qū)置為DIRTY。</P><P> ⑤將DAVLID扇區(qū)置為INUSE，將其扇區(qū)號填入空間映射表。</P><P> （2）初始化模塊</P><P> 該模塊在文件系統(tǒng)初始化之前調(diào)用，用于初始化FMM系統(tǒng)。</P><P> ①從內(nèi)存池中為ID扇區(qū)申請內(nèi)存。</P><P> ②從內(nèi)存池中為空間映射表申請內(nèi)存。</P><P> ③在內(nèi)存中創(chuàng)建空間映射表。</P><P> （3）存取模塊</P><P> 該模塊是FMM與文件系統(tǒng)的接口，可以分為讀和寫兩部分。</P><P> *讀數(shù)據(jù)過程：</P><P> ①根據(jù)所要讀取的邏輯扇區(qū)號，查表找出其對應(yīng)的物理扇區(qū)號；</P><P> ②根據(jù)物理扇區(qū)號計(jì)算出物理地址；</P><P> ③讀出該扇區(qū)數(shù)據(jù)；</P><P> ④如需讀多個(gè)扇區(qū)，重復(fù)步驟①～③。</P><P> *寫數(shù)據(jù)流程；</P><P> Flash存儲(chǔ)器中“寫入”是將對應(yīng)單元由“1”變“0”，“擦除”是由“0”變?yōu)椤?”。<BR> 因此，無須擦除就可以將狀態(tài)FREE（0xF）依次“寫”為DVALID（0xE）、INUSE（0xC）、<BR> DIRTY（0x8），如圖3所示。</P><P> （4）空間整理模塊</P><P> 由于在寫入操作中產(chǎn)生dirty扇區(qū)，因此當(dāng)自由空間不足時(shí)，需要對空間進(jìn)行整理，釋放<BR> dirty扇區(qū)占用的空間用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，流程如圖4所示。</P><P> 根據(jù)圖4可以看出，整理的過程實(shí)際是將有用扇區(qū)依次搬到空扇區(qū)中，再擦除舊塊的過程<BR> ，因此需要一個(gè)空塊用作數(shù)據(jù)交換。</P><P> 5 FMM性能分析</P><P> *讀出速度：讀取速度基本與Flash的讀速度相同。</P><P> *寫入速度：寫入操作速度與Flash的寫入速度基本相同。</P><P> *整理速度：空間整理上由于算法的限制會(huì)耗費(fèi)很長的時(shí)間，最好挑選除速度較快的Flas<BR> h來進(jìn)行配合使用；或者可以采用其它的算法來進(jìn)行空間整理，但會(huì)使壽命均衡有所減弱<BR> ，必須根據(jù)具體的應(yīng)用來選取適合的方案組合才能達(dá)到最好的效果。</P><P> *文件系統(tǒng)可用空間：由于FMM占用了一部分空間，因此實(shí)際文件系統(tǒng)可用空間小于Flash<BR> 的實(shí)際物理空間。</P><P> 文件系統(tǒng)可用空間=Flash總空間-ID扇區(qū)空間-1個(gè)用于整理的保留塊空間。 <BR>
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產(chǎn)品目錄
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中華工控網(wǎng)
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深圳市南山區(qū)創(chuàng)業(yè)路現(xiàn)代城華庭1棟6A |
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