基于分塊管理和狀態轉換的嵌入式Flash管理

1 引言

嵌入式系統中通常都需要存放一些非易失性數據, 并且數據量的大小和數據類型根據不同的系統需求差異很大。因此選取合適的存儲器是完成數據存儲系統的第一步, 更重要的是使存儲系統長期穩定、高效的工作, 這就必須尋求一個完備的存儲器數據管理方法[ 1] 。本文介紹了一種適用于無文件系統環境下的N OR Flash 管理方法, 采用分塊管理和狀態轉換的方法使得Flash 的使用效率和操作可靠性得到大大提高。

2 NOR Flash 存儲器及其特性

NOR Flash 和NAND Flash 是目前市場上兩種主要的Flash 存儲器。一般在非海量存儲型的嵌入式設備中都是直接采用NOR Flash 作為程序代碼和非易失性數據的存儲器, 這主要是由NOR

Flash 的特點所決定的。NOR Flash 的特點如下:

1) 存儲容量較小, 一般在1~ 16MByte 之間。

2) 具有和SRAM 相同的接口, 隨機讀取速度快, 可以做到芯片內執行( XIP) [ 2] 。

3) 存儲單元只能由1 寫成0, 因此進行寫操作前必須先進行擦除操作, 使對應的單元變成1。

4) 器件有一定的使用壽命, 一般為10~ 100 萬次。隨著使用次數的增加, 可能有的單元會失效。但是NOR Flash 出廠時器件的每個單元都有效。NOR Flash 的眾多特性使得它成為嵌入式系統設計中首選的存儲器器件。由于NOR Flash 的擦除操作都是以塊為單位的, 并且不同種類的NOR Flash 器件所支持的擦除單位可能不一樣, 但是每種NOR Flash 器件都支持64KB 為單位的擦除[ 3~ 4] , 因此后面介紹的分塊管理方法將以64KB為塊基本單位, 從而解決分塊管理方法在不同種類NOR Flash 器件上實現時所出現的數據備份問題。

3 NOR Flash 分塊管理方法

為了均衡每個Flash 分塊的使用次數, 提高整個存儲器件的使用壽命, 對Flash 采用分塊管理的方法[ 5] 。以64KB 為單位, 將系統分配用作非易失性數據區域進行分塊操作, 其中每個分塊又分成16 字節的頭部信息與數據區域。分塊示意圖如圖1 所示。

圖1 分塊示意圖

正是利用分塊的頭部信息, 進行擦除次數均衡與分塊狀態的切換。對于頭部幾個主要字段的定義如下:

1) Block_Flag ( 8bit) : 用于標志分塊的狀態, 總共有BF _NOT _ INIT ( 0xFF) 、BF _FREE (0xFE)、BF_COPYING_ DATA ( 0xFC )、BF _ COPY _ FINISHED(0xF8) 、BF_INUSE( 0xF0) 、BF_SRC_DATA ( 0xE0) 、BF_ERASING( 0xC0)、BF_INVALID(0x00) 8 種狀態。

2) Blo ck _ Data _ T ype ( 8bit ) 和Blo ck _ Data _Ty pe_Ext ( 8bit ) : 分別表示該分塊存儲的數據類型和子類型, 這兩個字段都由應用程序所存儲的數據類型決定。例如學生信息的存儲, 可能的一種存儲方法是一個分塊存儲學生的學號信息, 而其它幾個分塊存儲學生的具體信息, 這時它們的數據類型一樣, 但是子類型卻不一樣。

3) Block_Erase_Counter( 32bit ) : 該字段用來動態記錄每個分塊的擦除次數, 從而方便應用程序對Flash 分塊的使用次數進行均衡。

4) Next_Off set ( 16bit ) : 該字段為將來擴展之用, 用來將64K 的分塊空間進一步細化, 使得將來1 個64K 空間內可以存儲不同類型的數據。