基于FLASH介質嵌入式存儲方案的設計與實現

1 引言

FLASH（閃速存儲器）作為一種安全、快速的存儲體，具有體積小、容量大、成本低、掉電數據不丟失等一系列優點，已成為嵌入式系統中數據和程序最主要的載體。由于FLASH在結構和操作方式上與硬盤、E2ROM等其他存儲介質有較大區別，使用FLASH時必須根據其自身特性，對存儲系統進行特殊設計，以保證系統的性能達到最優。

2 FLASH的特點

FLASH是一種非易失性存儲器NVM（Non-Volatile Memory），根據結構的不同可以將其分成NOR FLASH和NAND FLASH兩種。但不管哪一種都具有如下特點：

1．區塊結構

FLASH在物理結構上分成若干個區塊，區塊之間相互獨立。比如NOR FLASH把整個Memory分成若干個Sector，而NAND FLASH把整個Memory分成若干個Block；

2．先擦后寫

由于FLASH的寫操作只能將數據位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對存儲器進行寫入之前必須先執行擦操作，將預寫入的數據位初始化為1。擦操作的最小單位是一個區塊，而不是單個字節。

3．操作指令

除了NOR FLASH的讀，FLASH的其它操作不能像RAM那樣，直接對目標地址進行總線操作。比如執行一次寫操作，它必須輸入一串特殊的指令（NOR FLASH），或者完成一段時序（NAND FLASH）才能將數據寫入到FLASH中。

4．位反轉

由于FLASH固有的電器特性，在讀寫數據過程中，偶然會產生一位或幾位數據錯誤。這就是位反轉。位反轉無法避免，只能通過其他手段對結果進行事后處理。

5．壞塊

FLASH在使用過程中，可能導致某些區塊的損壞。區塊一旦損壞，將無法進行修復。如果對已損壞的區塊進行操作，可能會帶來不可預測的錯誤。尤其是NAND FLASH在出廠時就可能存在這樣的壞塊（已經被標識出）。

3 關鍵設計

3.1 FLASH通用設計

對于一個嵌入式系統，設備的兼容性越好，系統可行性就越好，產品也就越有競爭力。所以，為了兼容不同類型的FLASH設備，對FLASH進行通用設計至關重要。

對于NOR FLASH，數據的讀操作可以通過獨立的數據總線和地址總線快速完成，然而NOR FLASH的其他操作需要通過特殊的指令來完成，更糟糕的是不同廠商生產的芯片這些指令互不相同。這就導致了設備的不兼容。

對于NAND FLASH，也存在這樣的問題。NAND FLASH可以根據相同的指令讀取芯片的廠商號和設備號,從而通過識別設備號調用對應的時序流程實現操作。但是，系統中太多的判斷，會使得程序的結構變得非常復雜。所以，在一定的條件下，NAND FLASH設備還是不兼容的。

為了解決這一問題，一個較好的方法是將FLASH的各個操作指令以及結構特性按照統一的格式存放到FLASH中固定位置。系統初始化時，將這個結構讀入系統，通過分析這個結構，可以獲得關于芯片所有相關信息，包括操作指令，區塊分布等等。這樣，系統可以輕松實現對不同型號FLASH的所有操作，極大地提高了設備的擴展性。

3.2　雙模式文件系統設計

嵌入式系統中文件數據的存放一般有兩種結構，一種是索引格式的線性結構，一種是非線性的鏈表式結構。這兩種結構各有優缺點。比如對于系統配置、點陣字庫等一些具有固定結構的系統數據，索引結構比鏈表式結構更有效率。但對于經常更新的用戶數據，鏈表式結構要比索引結構更靈活。如果系統能將兩種結構集成，勢必能將性能發揮到最優。 　　實現這種集成的方法是將設備定義成若干個分區，每個分區相互獨立，不同分區可以使用不同的文件模式。這樣，不同類型的數據就可以根據自己的屬性選擇存放的分區。比如系統數據存放在使用索引線性結構的分區，用戶數據存放在使用鏈式非線性結構的分區。

3.3 壞塊處理

FLASH中的壞塊處理是一件很棘手的問題，如果沒有有效的管理，對系統的穩定性會造成嚴重影響。一個可行的解決方法是生成一張壞塊表，壞塊表中記錄所有壞塊的塊號，并且按塊號從小到大排序，壞塊表在讀寫過程中動態更新。當讀寫數據時，遍歷壞塊表中的塊號，將文件的邏輯地址轉換成對應FLASH 物理地址，以保證所用的FLASH地址空間不存在壞塊。

4 系統實現

4.1　結構定義