基于分塊管理和狀態轉換的嵌入式Flash管理

4 NOR Flash 分塊狀態切換與使用均衡

在Flash 的使用過程中, 必然存在著多次的數據更新, 當前嵌入式系統中數據更新的一般做法是先將新數據寫入Flash, 然后將舊的數據置為無效狀態[ 6] 。如果每次數據更新都馬上將原先數據擦除,

則將造成Flash 的擦除次數急劇增加。隨著數據更新次數的增多, 也就導致Flash 存儲系統中的可用資源不斷減少, 因此在某個時刻就必須對系統中的垃圾資源進行回收。通過巧妙設置Flash 分塊的狀態,并在資源回收過程中對源、目標兩個分塊進行適當的狀態切換, 可以確保在資源回收過程中不會因掉電原因而產生數據的丟失。令回收源分塊為A, 新目標分塊為B, 資源回收流程如圖2 所示。

圖2 資源回收流程圖

對于每次系統上電后, 應用程序將讀取每個Flash 數據分塊的頭部信息, 在內存中建立相應的分塊信息表, 同時根據頭部信息和空閑地址搜索算法去初始化每種數據類型的起始地址與空閑區域首地址, 同時必須對異常狀態進行檢測恢復。其中對每個分塊的初始化主要是根據分塊頭部的狀態信息進行判斷, 檢測是否之前有掉電過, 然后做出相應處理, 主要有以下幾種可能:

1) 狀態為BF _NOT _INIT, 則將其初始化為BF_FREE 狀態。

2) 狀態為BF_FREE 或BF_INUSE, 則在內存中建立分塊信息, 無需其它操作。

3) 狀態為BF _ COPYIN G _ DAT A 或BF _ERASING, 則將其擦除后置為BF_FREE 狀態。

4) 分塊A 狀態為BF_SRC_DATA, 如果有另一個分塊B 為BF_COPY _FINISHED, 則根據流程圖繼續完成資源回收操作。如果有另一個分塊B 為BF_COPYING_DAT A, 則擦除B 后置為BF_FREE 狀態, 然后對A 重新進行資源回收操作。

5) 狀態為BF_INVA LID, 則該塊為壞塊, 不在內存中建立分塊信息。

為了均衡每一個分塊的使用次數, 延長整塊Flash 的使用壽命, 在每次進行分塊擦除之后, 必須先將之前記錄下來的Block_Erase_Counter 加1, 然后組成新的頭部信息重新寫回分塊頭部, 從而達到動態記錄每個分塊擦除次數的功能。在進行空閑分塊申請的時候, 必須遍歷所有狀態為BF_FREE 分塊, 選取Block_Erase_Counter 數值最小的作為新分塊分配, 從而使得每個分塊的使用次數趨于一致。

5 分塊管理在嵌入式軟件系統中的實現

在嵌入式軟件的設計中, 良好的軟件架構設計可以使得軟件具有更好的可靠性及可擴展性。目前分層架構是嵌入式軟件系統設計中最為流行的一種[ 7] 。因此在軟件實現過程中, 采用了分層的軟件架構將分塊管理軟件分為Flash 驅動層、No rFlash 分塊管理層和數據類型管理層三層。

具體的軟硬件分層示意圖如圖3 所示。

圖3 存儲模塊軟件構架

軟件最底層為Flash 驅動層, 考慮到NOR Flash存儲器的多樣性, 并且各種器件的底層驅動可能不同, 因此Flash 驅動層的建立可以向分塊管理層屏蔽具體的硬件信息。一般驅動層的實現主要采用函數指針的方法進行[ 8] , 初始化時通過讀取不同Flash 的ID 分別對read、write 和erase 等基本操作函數指針進行賦值, 此后上層軟件在對Flash 進行實際操作時則通過函數指針進行, 并不清楚具體的Flash 信息。在嵌入式系統中, 非易失性數據的種類有多種多樣, 因此分塊管理層本身并不涉及具體類型數據的存儲方法, 只是預留幾個字段用于記錄數據類型等信息[ 9] 。這些字段用于數據類型管理程序初始化時使用。數據類型管理層的主要功能是管理NOR Flash存儲器中不同類型的數據, 向應用程序提供基于數據類型的各種操作, 屏蔽掉具體的分塊管理信息。

分塊管理層程序負責資源回收算法、開機Flash 異?；謴退惴ǖ膶? 同時向數據類型管理層提供各種類型數據的所在的分塊地址信息。通過這種構架使得每一層的實現都易于采用面向對象的思想實現, 其中從底層至上層的對象分別為Flash、分塊、數據類型。

6 結語

通過采用分塊管理與狀態轉換的方法, Flash的存儲性能有了較大的改善, 而且數據的可靠性也有很大提高, 特別適用于無文件系統嵌入式設備中的數據存儲。同時通過合理的軟件構架使得各個分層都易于采用面向對象的思想實現, 這樣有利于軟件的擴展與移植。目前這種方法已經在數字電視機頂盒中采用, 實現效果甚好, 并且為上層軟件的設計帶來很大方便。