基于FLASH介质嵌入式存储方案的设计与实现

1、基于flash介质嵌入式存储方案的设计与实现flash（闪速存储器）作为一种平安、迅速的存储体，具有体积小、容量大、成本低、掉电数据不走失等一系列优点，已成为系统中数据和程序最主要的载体。因为flash在结构和操作方式上与硬盘、e2rom等其他存储介质有较大区分，用法flash时必需按照其自身特性，对存储系统举行特别设计，以保证系统的性能达到最优。2 flash的特点flash是一种非易失性存储器nvm（non-volatile memory），按照结构的不同可以将其分成nor flash和nand flash两种。但不管哪一种都具有如下特点：（1）区块结构flash在物理结构上分成若干个区块

2、，区块之间互相自立。比如nor flash把囫囵memory分成若干个sector，而nand flash把囫囵memory分成若干个block；（2）先擦后写因为flash的写操作只能将数据位从1写成0，不能从0写成1，所以在对存储器举行写入之前必需先执行擦操作，将预写入的数据位初始化为1。擦操作的最小单位是一个区块，而不是单个字节。（3）操作命令除了nor flash的读，flash的其它操作不能像ram那样，挺直对目标地址举行操 作。比如执行一次写操作，它必需输入一串特别的命令（nor flash），或者完成一段时序（nand flash）才干将数据写入到flash中。（4）位反转因为f

3、lash固有的电器特性，在读写数据过程中，偶然会产生一位或几位数据错误。这就是位反转。位反转无法避开，只能通过其他手段对结果举行事后处理。（5）坏块flash在用法过程中，可能导致某些区块的损坏。区块一旦损坏，将无法举行修复。假如对已损坏的区块举行操作，可能会带来不行预测的错误。尤其是nand flash在出厂时就可能存在这样的坏块（已经被标识出）。3 关键设计3.1 flash通用设计对于一个嵌入式系统，设备的兼容性越好，系统可行性就越好，产品也就越有竞争力。所以，为了兼容不同类型的flash设备，对flash举行通用设计至关重要。对于nor flash，数据的读操作可以通过自立的数据总线和

4、地址总线迅速完成，然而nor flash的其他操作需要通过特别的命令来完成，更糟糕的是不同厂商生产的芯片这些命令互不相同。这就导致了设备的不兼容。对于nand flash，也存在这样的问题。nand flash可以按照相同的命令读取芯片的厂商号和设备号,从而通过识别设备号调用对应的时序流程实现操作。但是，系统中太多的推断，会使得程序的结构变得十分复杂。所以，在一定的条件下，nand flash设备还是不兼容的。为了解决这一问题，一个较好的办法是将flash的各个操作命令以及结构特性根据统一的格式存放到flash中固定位置。系统初始化时，将这个结构读入系统，通过分析这个结构，可以获得关于芯片全部

5、相关信息，包括操作命令，区块分布等等。这样，系统可以轻松实现对不同型号flash的全部操作，极大地提高了设备的扩展性。3.2 双模式文件系统设计嵌入式系统中文件数据的存放普通有两种结构，一种是索引格式的线性结构，一种是非线性的链表式结构。这两种结构各有优缺点。比如对于系统配置、点阵字库等一些具有固定结构的系统数据，索引结构比链表式结构更有效率。但对于常常更新的用户数据，链表式结构要比索引结构更灵便。假如系统能将两种结构集成，势必能将性能发挥到最优。实现这种集成的办法是将设备定义成若干个分区，每个分区互相自立，不同分区可以用法不同的文件模式。这样，不同类型的数据就可以按照自己的属性挑选存放的分区

6、。比如系统数据存放在用法索引线性结构的分区，用户数据存放在用法链式非线性结构的分区。3.3 坏块处理flash中的坏块处理是一件很麻烦的问题，假如没有有效的管理，对系统的稳定性会造成严峻影响。一个可行的解决办法是生成一张坏块表，坏块表中记录全部坏块的块号，并且按块号从小到大排序，坏块表在读写过程中动态更新。当读写数据时，遍历坏块表中的块号，将文件的规律地址转换成对应flash 物理地址，以保证所用的flash地址空间不存在坏块。4 系统实现4.1 结构定义系统的存储结构1所示，在flash的block0位置存放囫囵系统最重要的数据系统记录sr（system record）。挑选block0的缘

7、由是普通flash出厂时，都能保证block0是完好的，因此可以避开坏块问题带来的不便。sr其实就是一个定义好的数据结构，它包括媒质信息和文件系统信息两部分。媒质信息包括flash存储器的类型、容量、块类型的大小和数量（blockinfo）、flash 操作指令（ commandinfo ）等。文件系统信息包括版本信息、各规律分区的起始地址（物理地址）和结束地址。flash设备可以被分成一个或多个规律分区，每个规律分区采纳的操作方式可以互不相同，1中device0分区采纳的是线性文件系统，device1分区采纳的是链式文件系统。假如采纳的是线性文件系统，在分区信息后面加入文件索引表index起

8、始地址、大小等信息；假如采纳的是链式文件系统，则加入文件系统页大小、文件分配表fat和文件记下表frt所在的位置等信息。文件记下表frt位于fat后的页中，存放着规律分区中文件的信息，如文件总数、每个文件的文件代号、位置、长度以及校验模式。其中，校验模式用来标识文件读写时采纳差错校验的级别。不同类型的文件采纳不同级别的校验方式。0级不举行校验，1级ecc校验，2级逐个字节比较。对于线性文件系统分区，全部文件挨次存储，读取数据时，挺直通过index索引得到某个文件的规律起始地址，然后从这个地址开头挨次搜寻，猎取某个偏移位置下的n个延续byte。链式文件系统是将地址空间分成若干个等分，即secto

9、r，它是操作的最小单位；一个大文件可以分布在不延续的多个 sector中，然后通过fat表将它们衔接起来；在flash介质上实现链式文件系统，sector大小的挑选是一个关键，因为flash的写操作，擦操作是以page，block为单位的，设小了使大块结构的flash写操作复杂，设多了又铺张空间，因此最好的挑选是将sector大小设为擦操作的最小单位16k。囫囵规律分区中，index,fat,frt表中的内容十分重要，一旦由于异样产生错误，可能会影响到全部文件；所以，这三个文件都做了备份处理，备份存放于不同的block中。同时，在对他们处理时，改写表中的更新状态。0xff表示开头更新,0x00

10、表示更新结束。在文件系统初始化时，读取它们的更新状态，假如表中的更新状态为0xff，解释该表存在操作异样，可用备份表更正。4.2 层次接口囫囵存储系统分成三层，2所示。（1）操作系统层在囫囵存储系统中，操作系统饰演的是用法者的角色。当需要数据时，它通过调用文件系统层提供的接口函数猎取数据，它不关怀数据的来源和正确性。（2）文件系统层文件系统层的任务是实现它和操作系统层的函数接口。在实现方式上，线性文件系统和链式文件系统有较大区分。比如文件读取mfread,线性文件系统挺直读取所要的字节，而链式文件系统是每次先把对应的囫囵页读到文件缓冲区，然后再把所需数据拷贝到读到指定内存。文件删除mfdele

11、te，线性文件系统需要重新收拾，不然就会由于大量的数据空洞（因为空间太小，无法放入新文件的小块区域）使得系统很快没有可用空间。链式文件系统只需修改文件系统的 fat和frt，而不用做其他任何处理，当下次写入操作用到该块时，自动完成擦除。（3）驱动层驱动层的任务是完成与flash之间的通讯协议，实现它和文件系统层的函数接口。接口函数包括页面读mpageread，页面写mpagewrite, 块擦除mblockerase, 随机读取mrnread, 随机写入mrnwrite。mpageread，mpagewrite，mblockerase对整页或块举行操作，在链式文件系统中调用； mrnread, mrnwrite对字节单位举行操作，在线性文件系统中调用。其中mrnwrite比较棘手，以写一个byte为例，它的操作分三步，首先将目标块中的全部数据读到内存buffer中，然后将要写入的数据更新到buffer，擦除目标块，最后将已更新的buffer写回到目标块,这里的buffer大小是一个block。因为嵌入式系统的内存资源比较紧急，系统采纳了块交换技术以降低成本,办法是在flash中搜寻一个空闲块，用它充当buffer的角色。5 结论通过上面的设计，所实现的存储系统具有以下的特点：（1）用法