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NORFlash 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。

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 異常恢復算法的實現, 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Flash、分塊、數據類型。