Flash損耗均衡的嵌入式文件系統設計

引言
嵌入式系統的海量存儲器多采用Flash存儲器實現擴展，由于Flash存儲器具有有限寫入次數的壽命限制，因此對于Flash存儲器局部的頻繁操作會縮短Flash存儲器的使用壽命。如何設計出一個合理的、針對嵌入式應用的文件系統，實現Flash存儲器的損耗均衡，并且實現數據的有效管理，對于提高其使用壽命具有一定的意義。
本文基于AVR單片機擴展Flash存儲器和以太網控制器設計了一款嵌入式文件系統，實現數據存儲和存儲器使用的損耗均衡，為延長Flash存儲器的使用壽命提供研究方法。
1 硬件平臺設計
本嵌入式文件系統選用Atmel公司的AVR單片機ATmega 128和Flash存儲器AT45D13081。該Flash芯片具有8 Mb存儲空間，共分為4096數據頁，每頁可存儲264字節。通過串行外圍設備接口SPI實現ATmega 128和AT45DB081之間的數據通信。文件系統的硬件結構如圖1所示。其中，RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網控制器。

2 嵌入式文件系統總體設計
文件系統的管理是通過把它所管理的信息組織成文件形式來實現的。文件是具有名稱的相關信息元素的序列。從用戶角度看，文件系統主要實現了按名存儲；從系統管理的角度看，它主要實現了文件存儲器的空間組織及分配、文件信息的存儲以及文件的保護及檢索。文件系統要借助于組織良好的數據結構和算法來有效地對文件信息進行管理，使用戶更方便地存儲信息。文件系統對于底層硬件的特性一般并不關心，只提供簡單且標準的接口。
2．1 文件系統存儲結構
根據Flash芯片的特性，為了最快捷地實現文件數據的讀取，本文件系統采用單級目錄結構，利用鏈接頁的方法管理Flash的存儲空間。文件系統存儲結構圖如圖2所示。在Flash存儲器中，文件系統分為3部分：文件系統信息表(FAT)、文件控制塊(File Control Block，FCB)和數據區(Data Area，DA)。

文件系統信息表(FAT)用于存放文件系統的信息和屬性。數據結構包含FAT的有效性標志、文件總數、第一個文件控制塊的扇區號及其在存儲器中的地址，以及當前FAT在存儲器中的地址。
文件控制塊(FCB)是存放在Flash中的，表示文件的靜態信息。數據結構包含文件名(11字節之內)、文件首簇所在的扇區號、文件長度、文件屬性、文件創建時間、下一個FCB的Flash地址以及文件控制塊有效標志。文件控制塊之間采用鏈表形式鏈接。
文件句柄(File_Handle)是存放在內存中的，表示文件的動態信息。當用戶打開或創建文件時，會在內存中申請一個文件句柄。數據結構包含文件句柄標示號、文件句柄狀態、文件名、文件首簇號、首簇所在的扇區號、當前簇號、文件指針、文件長度以及文件的FCB地址。
操作系統中將相鄰的扇區組合在一起，形成一個簇，然后再對簇進行管理。顯然，簇是操作系統所使用的邏輯概念，而非磁盤的物理特性。為了更好地管理磁盤空間和更高效地從硬盤讀取數據，操作系統規定一個簇中只能放置一個文件的內容，因此文件所占用的空間，只能是簇的整數倍。本文設計的文件系統規定一個簇的大小為存儲器的一個頁。