嵌入式系統中的Flash存儲管理

關鍵詞：嵌入式系統 Flash FMM

引言

在當前數字信息技術和網絡技術高速發展的后PC（Post-PC）時代，嵌入式系統已經廣泛地滲透到科學研究、工程設計、軍事技術、各類產業和商業文件藝術、娛樂業以及人們的日常生活等方方面面中。隨著嵌入式系統越來越廣泛的應用，嵌入式系統中的數據存儲和數據管理已經成為一個重要的課題擺在設計人員面前。

Flash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。目前已經逐步取代其它半導體存儲元件，成為嵌入式系統中主要數據和程序載體。

作為嵌入式系統的一部分，Flash存儲管理的主要功能是針對Flash自身的物理特性，利用一些特定的算法來提高Flash的使用效率，加快操作速度和管理Flash各單元的使用頻率。

1 Flash存儲器簡介

嵌入式系統中使用的Flash主要分為NOR和NAND兩種類型。這里我們以NOR型Flash為例進行介紹。NOR型Flash主要特點如下：

*體積小、容量大，目前可以達到十幾MB。

*掉電數據不丟失，數據可以保存10～100年。

*有獨立的地址和數據總線，可以快速地通過總線讀取數據。因此它具有和靜態RAM相同的讀取速度，既可以作為數據存儲器也可以作為程序存儲器使用。

*寫入操作必須通過指令序列來完成，以字節（Byte）或字（Word）為單位，每寫入一個Byte或Word需十幾μs。

*擦除也通過指令序列完成，以塊（Block）為單位，通常塊的大小為64K。每擦除一個塊需要十幾ms。

*由于Flash有一定的使用壽命，一般為10～100萬次。所以隨著使用次數的增加，會有一些單元逐漸變得不穩定或失效，因此必須能夠對其狀態加以識別。

2 Flash存儲管理的作用

由Flash特點可以看出，操作Flash需要注意以下幾點：

*必須以幾K～幾十K的塊為單位進行數據的操作；

*擦除操作耗時較多，應減少擦除操作；

*盡量避免頻繁地對同一地址操作，以免造成局部單元提前損壞。

另外，大部分嵌入式操作系統所掛接的文件系統是建立在以扇區（Sector）為單位的磁盤操作基礎上（通常為512字節/扇區）。因此也需要一段特殊的Flash存儲管理程序來解決以扇區為單位的文件系統接口和以塊為單位的Flash物理特性之間的矛盾；同時，完成各塊之間的擦寫次數均衡和壞塊管理等工作。Flash存儲管理程序在系統中的位置如圖1所示。

本文以TRI公司的FMM為例，說明Flash存儲管理模塊和如何完成這些功能的。

3 FMM介紹

FMM（Flash Media Manager）是由TRI公司開發的專門針對NOR型Flash的管理軟件，其主要特點如下：

*動態映射OS的邏輯扇區到物理地址；

*所有物理塊進行壽命均衡，同時可記錄Flash的擦寫次數；

*掉電數據恢復，可以保證系統的穩定性；

創建壞塊表進行壞塊管理，保證系統的可靠性。

為了更好地介紹FMM的操作流程，這里先作幾點說明。

（1）存儲空間管理

為了實現以扇區為基礎的數據管理，FMM首先對Flash中的塊內存儲空間邏輯上進行了重新定義，每個物理塊內部又重新劃分成了若干物理扇區。每個物理塊內部又重新劃分成了若干物理扇區。每個物理扇區由512+4字節=516（0x204）字節組成。512字節為有效數據空間，另外4字節（32位）用于存放邏輯扇區另和當前狀態。定義如下：

扇區狀態有4種，用于進行掉電數據恢復：

FREE―空扇區（0xF）；

DVALID―扇區數據無效（0xE）；

INUSE―扇區數據有效（0xC）；

DIRTY―扇區數據無用，可擦除（0x8）。

以64K大小的塊為例，可以計算出每個塊中可以劃分出127個扇區；另外，還會有4字節的空間，專門用于標志下一個被整理塊。標記為0x80，否則為0xffffffff。

因此可以得出物理扇區和絕對地址之間的對應關系：

絕對地址=Flash基地址+物理扇區號0x204+所在塊號4

（2）扇區分類

FMM中將扇區分為ID扇區和數據扇區兩類：

①FMM會占用N個扇區作為標識ID（Identification）扇區，占用邏輯扇區號0～N。這一部分扇區是文件系統不能使用的，是FMM用于管理所占用的存儲空間。因此文件系統所管理的邏輯扇區號必須從N+1開始。

ID扇區主要包含如下數據：FMM版本號、寫入（擦除）次數EraseCount、用戶標識和壞扇區表。

N的取值與壞扇區表的大小有關，每個FMM管理的物理扇區占用表中的1位。在每次存儲數據時，可以通過查詢表中的相應位來確定該扇區的有效性。

②數據扇區，用于存儲數據。

（3）空間映射表（Mapping Table）

由于Flash不能像普通磁盤那樣進行字節的修改，甚至不能以扇區為單位進行修改；而只能以塊為單位進行修改；但如果只是簡單將物理扇區和邏輯扇區一一對應，那么如果我們想對扇區修改就必須將整個塊的內容都擦除，然后再將修改后的內容回寫；勢必會造成時間和Flash壽命的損失。因此，建立一個物理扇區號和邏輯扇區號的空間映射表，使邏輯扇區與物理扇區號進行動態的匹配。這樣，在修改某個扇區的內容時只要將數據寫入一個新的扇區，然后將原扇區標記為DIRTY就可以了。這樣，還可以消除頻繁修改某個扇區帶來的壽命不均的影響。

映射表是建立在內存中的項數為M（扇區總數）的數組，每項占用4字節，用于存放對應的物理扇區號。當某項為空（NULL）時，認為該扇區空閑，未使用，如圖2所示。

4 FMM模塊操作

按功能，可以將FMM分解為4個基本模塊：格式化模塊、初始化模塊、存取模塊和空間整理模塊。以下簡單掃描各模塊的操作流程。

（1）格式化模塊

對數據空間進行初級格式化，建立ID扇區。該模塊在第一次使用數據盤之前調用，相當于低級格式化。過程如下：

①調用FMM初始化模塊，根據結果判斷該存儲體是否含有FMM控制信息。如果有，將擦除次數計數器EraseCount加1，否則置為1。

②調用Flash驅動程序，將FMM所管理的空間全部擦除。

③將Block0的標志置為0x80，即下一個被整理的Block，也是第一個非空Block。

④收集有關信息，創建ID扇區寫入Flash。

⑤在內存中創建空間映射表。

空間映射表的創建過程如下：

①清空內存中為映射表和ID扇區申請的空間。

②將Flash中的ID扇區內容讀入內存中。

③掃描整個物理空間，依次讀入每個物理扇區的狀態和邏輯扇區號，將狀態為INUSE的邏輯扇區號裝入空間映射表的對應位置，并記錄INUSE和DIRTY扇區的數目。

④修復掃描中發現的DAVLID扇區數據。

修復DAVLID扇區的過程如下：

①取出DVALID扇區的邏輯扇區號。

②如果邏輯扇區號為NULL，跳到步驟⑤。

③查詢空間映射表，如果對應的物理扇區號為NULL，跳到步驟⑤。

④將查到的物理扇區置為DIRTY。

⑤將DAVLID扇區置為INUSE，將其扇區號填入空間映射表。

（2）初始化模塊

該模塊在文件系統初始化之前調用，用于初始化FMM系統。

①從內存池中為ID扇區申請內存。

②從內存池中為空間映射表申請內存。

③在內存中創建空間映射表。

（3）存取模塊

該模塊是FMM與文件系統的接口，可以分為讀和寫兩部分。

*讀數據過程：

①根據所要讀取的邏輯扇區號，查表找出其對應的物理扇區號；

②根據物理扇區號計算出物理地址；

③讀出該扇區數據；

④如需讀多個扇區，重復步驟①～③。

*寫數據流程；

Flash存儲器中“寫入”是將對應單元由“1”變“0”，“擦除”是由“0”變為“1”。因此，無須擦除就可以將狀態FREE（0xF）依次“寫”為DVALID（0xE）、INUSE（0xC）、DIRTY（0x8），如圖3所示。

（4）空間整理模塊

由于在寫入操作中產生dirty扇區，因此當自由空間不足時，需要對空間進行整理，釋放dirty扇區占用的空間用于存儲數據，流程如圖4所示。

根據圖4可以看出，整理的過程實際是將有用扇區依次搬到空扇區中，再擦除舊塊的過程，因此需要一個空塊用作數據交換。

5 FMM性能分析

*讀出速度：讀取速度基本與Flash的讀速度相同。

*寫入速度：寫入操作速度與Flash的寫入速度基本相同。

*整理速度：空間整理上由于算法的限制會耗費很長的時間，最好挑選除速度較快的Flash來進行配合使用；或者可以采用其它的算法來進行空間整理，但會使壽命均衡有所減弱，必須根據具體的應用來選取適合的方案組合才能達到最好的效果。

*文件系統可用空間：由于FMM占用了一部分空間，因此實際文件系統可用空間小于Flash的實際物理空間。

文件系統可用空間=Flash總空間-ID扇區空間-1個用于整理的保留塊空間。