基于FLASH的嵌入式存储系统设计

1 引言

FLASH（闪速存储器）作为一种安全、快速的存储体，具有体积小、容量大、成本低、掉电数据不丢失等一系列优点，已成为嵌入式系统中数据和程序最主要的载体。由于FLASH在结构和操作方式上与硬盘、E2ROM等其他存储介质有较大区别，使用FLASH时必须根据其自身特性，对存储系统进行特殊设计，以保证系统的性能达到最优。

2 FLASH的特点

FLASH是一种非易失性存储器NVM（Non-Volatile Memory），根据结构的不同可以将其分成NOR FLASH和NAND FLASH两种。但不管哪一种都具有如下特点：

（1）区块结构FLASH在物理结构上分成若干个区块，区块之间相互独立。比如NOR FLASH把整个Memory分成若干个Sector，而NAND FLASH把整个Memory分成若干个Block；

（2）先擦后写由于FLASH的写操作只能将数据位从1写成0，不能从0写成1，所以在对存储器进行写入之前必须先执行擦操作，将预写入的数据位初始化为1。擦操作的最小单位是一个区块，而不是单个字节。

（3）操作指令除了NOR FLASH的读，FLASH的其它操作不能像RAM那样，直接对目标地址进行总线操 作。比如执行一次写操作，它必须输入一串特殊的指令（NOR FLASH），或者完成一段时序（NAND FLASH）才能将数据写入到FLASH中。

（4）位反转由于FLASH固有的电器特性，在读写数据过程中，偶然会产生一位或几位数据错误。这就是位反转。位反转无法避免，只能通过其他手段对结果进行事后处理。

（5）坏块FLASH在使用过程中，可能导致某些区块的损坏。区块一旦损坏，将无法进行修复。如果对已损坏的区块进行操作，可能会带来不可预测的错误。尤其是NAND FLASH在出厂时就可能存在这样的坏块（已经被标识出）。

3 关键设计

3.1　FLASH通用设计

对于一个嵌入式系统，设备的兼容性越好，系统可行性就越好，产品也就越有竞争力。所以，为了兼容不同类型的FLASH设备，对FLASH进行通用设计至关重要。

对于NOR FLASH，数据的读操作可以通过独立的数据总线和地址总线快速完成，然而NOR FLASH的其他操作需要通过特殊的指令来完成，更糟糕的是不同厂商生产的芯片这些指令互不相同。这就导致了设备的不兼容。

对于NAND FLASH，也存在这样的问题。NAND FLASH可以根据相同的指令读取芯片的厂商号和设备号,从而通过识别设备号调用对应的时序流程实现操作。但是，系统中太多的判断，会使得程序的结构变得非常复杂。所以，在一定的条件下，NAND FLASH设备还是不兼容的。

为了解决这一问题，一个较好的方法是将FLASH的各个操作指令以及结构特性按照统一的格式存放到FLASH中固定位置。系统初始化时，将这个结构读入系统，通过分析这个结构，可以获得关于芯片所有相关信息，包括操作指令，区块分布等等。这样，系统可以轻松实现对不同型号FLASH的所有操作，极大地提高了设备的扩展性。

3.2　双模式文件系统设计

嵌入式系统中文件数据的存放一般有两种结构，一种是索引格式的线性结构，一种是非线性的链表式结构。这两种结构各有优缺点。比如对于系统配置、点阵字库等一些具有固定结构的系统数据，索引结构比链表式结构更有效率。但对于经常更新的用户数据，链表式结构要比索引结构更灵活。如果系统能将两种结构集成，势必能将性能发挥到最优。

实现这种集成的方法是将设备定义成若干个分区，每个分区相互独立，不同分区可以使用不同的文件模式。这样，不同类型的数据就可以根据自己的属性选择存放的分区。比如系统数据存放在使用索引线性结构的分区，用户数据存放在使用链式非线性结构的分区。

3.3 坏块处理

FLASH中的坏块处理是一件很棘手的问题，如果没有有效的管理，对系统的稳定性会造成严重影响。一个可行的解决方法是生成一张坏块表，坏块表中记录所有坏块的块号，并且按块号从小到大排序，坏块表在读写过程中动态更新。当读写数据时，遍历坏块表中的块号，将文件的逻辑地址转换成对应FLASH 物理地址，以保证所用的FLASH地址空间不存在坏块。

4 系统实现

4.1　结构定义

系统的存储结构如图1所示，在FLASH的Block0位置存放整个系统最重要的数据——系统记录SR（System Record）。选择Block0的原因是一般FLASH出厂时，都能保证Block0是完好的，因此可以避免坏块问题带来的不便。SR其实就是一个定义好的数据结构，它包括媒质信息和文件系统信息两部分。媒质信息包括FLASH存储器的类型、容量、块类型的大小和数量（BlockInfo）、FLASH 操作命令（ CommandInfo ）等。文件系统信息包括版本信息、各逻辑分区的起始地址（物理地址）和结束地址。FLASH设备可以被分成一个或多个逻辑分区，每个逻辑分区采用的操作方式可以互不相同，如图1中Device0分区采用的是线性文件系统，Device1分区采用的是链式文件系统。如果采用的是线性文件系统，在分区信息后面加入文件索引表INDEX起始地址、大小等信息；如果采用的是链式文件系统，则加入文件系统页大小、文件分配表FAT和文件登记表FRT所在的位置等信息。

 

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文件登记表FRT位于FAT后的页中，存放着逻辑分区中文件的信息，如文件总数、每个文件的文件代号、位置、长度以及校验模式。其中，校验模式用来标识文件读写时采用差错校验的级别。不同类型的文件采用不同级别的校验方式。0级不进行校验，1级ECC校验，2级逐个字节比较。

对于线性文件系统分区，所有文件顺序存储，读取数据时，直接通过INDEX索引得到某个文件的逻辑起始地址，然后从这个地址开始顺序搜索，获取某个偏移位置下的n个连续Byte。链式文件系统是将地址空间分成若干个等分，即Sector，它是操作的最小单位；一个大文件可以分布在不连续的多个 Sector中，然后通过FAT表将它们连接起来；在FLASH介质上实现链式文件系统，Sector大小的选择是一个关键，由于FLASH的写操作，擦操作是以Page，Block为单位的，设小了使大块结构的FLASH写操作复杂，设多了又浪费空间，因此最好的选择是将Sector大小设为擦操作的最小单位16K。

整个逻辑分区中，INDEX,FAT,FRT表中的内容非常重要，一旦因为异常产生错误，可能会影响到所有文件；所以，这三个文件都做了备份处理，备份存放于不同的Block中。同时，在对他们处理时，改写表中的更新状态。0xff表示开始更新,0x00表示更新结束。在文件系统初始化时，读取它们的更新状态，如果表中的更新状态为0xff，说明该表存在操作异常，可用备份表更正。

4.2　层次接口

整个存储系统分成三层，如图2所示。


 

（1）操作系统层

在整个存储系统中，操作系统扮演的是使用者的角色。当需要数据时，它通过调用文件系统层提供的接口函数获取数据，它不关心数据的来源和正确性。

（2）文件系统层

文件系统层的任务是实现它和操作系统层的函数接口。在实现方式上，线性文件系统和链式文件系统有较大区别。比如文件读取mfread,线性文件系统直接读取所要的字节，而链式文件系统是每次先把对应的整个页读到文件缓冲区，然后再把所需数据拷贝到读到指定内存。文件删除mfdelete，线性文件系统需要重新整理，不然就会因为大量的数据空洞（由于空间太小，无法放入新文件的小块区域）使得系统很快没有可用空间。链式文件系统只需修改文件系统的 FAT和FRT，而不用做其他任何处理，当下次写入操作用到该块时，自动完成擦除。

（3）驱动层

驱动层的任务是完成与FLASH之间的通讯协议，实现它和文件系统层的函数接口。接口函数包括页面读mPageRead，页面写mPageWrite, 块擦除mBlockErase, 随机读取mRnRead, 随机写入mRnWrite。mPageRead，mPageWrite，mBlockErase对整页或块进行操作，在链式文件系统中调用； mRnRead, mRnWrite对字节单位进行操作，在线性文件系统中调用。其中mRnWrite比较麻烦，以写一个Byte为例，它的操作分三步，首先将目标块中的所有数据读到内存Buffer中，然后将要写入的数据更新到Buffer，擦除目标块，最后将已更新的Buffer写回到目标块,这里的Buffer大小是一个Block。由于嵌入式系统的内存资源比较紧张，系统采用了块交换技术以降低成本,方法是在FLASH中搜索一个空闲块，用它充当Buffer的角色。

5 结论

通过上面的设计，所实现的存储系统具有以下的特点：

（1）使用通用模式设计，增强了系统对FLASH设备的兼容性；

（2）使用双模式文件结构设计，使不同类型的数据处理效率同时达到最优；（3）使用地址映射表，屏蔽了坏块带来的隐患，增强了系统的健壮性；

（4）对重要数据采用备份保护，保证不会因为断电等异常导致系统的崩溃，增强了系统稳定性；

（5）采用块交换技术，节约系统成本；

（6）进行分级差错校验，提高了系统的执行效率。