大容量存儲設備在嵌入式系統的應用研究

摘要：分析了在嵌入式系統中采用的flash存儲器的使用特點，并論述了如何對NAND FLASH進行有效全面管理的解決方案，包括如何設計文件系統，進行壞塊管理等，如何垃圾回收及均衡各個NAND FALSH塊的使用問題也進行了較詳細論述。

關鍵詞：大容量存儲設備；NAND；文件系統；壞塊管理；均衡

中圖分類號：TP334.5文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)30-0733-02

Applications Reserch of Mass Storage Based on Embbed System

LIU Hui-zhong

(Hebei Institute of Applied Mathematics， Shijiazhuang 050081， China)

Abstract: What is the advantages of NOR/NAND Flash memory based on embedded sytem is discussed， the solution of how to use NAND Flash memory comprehensive is descripted ， it combines flash file system，bad block management etc. ，put forward the method to deal with dirty block，wearleveling.

Key words: mass storage; NAND; file system; bad block management; wearleveling

1 引言

隨著嵌入式系統越來越廣泛的應用，嵌入式系統中有大量的數據需要存儲和管理。Flash存儲器具有容量大、體積小、功耗小、成本低、掉電后數據不丟失、讀訪問速度高、抗震性好等一系列的優點，已經成為嵌入式系統中廣泛應用的存儲器件。但是隨著系統復雜性的增加和存儲器容量的加大，如何高效地存儲和管理數據從而方便用戶使用成為一個重要的課題。

目前閃存有多種技術架構，其中以ＮＯＲ技術和ＮＡＮＤ技術為主流技術。ＮＯＲ型閃存是隨機存取的設備，適用于代碼存儲；ＮＡＮＤ型閃存是線性存取的設備，適用于大容量數據存儲，因此，設計能有效管理大容量NAND閃存的嵌入式閃存文件系統是解決辦法。

2 Flash存儲器特點

2.1 FLASH共同特點

FLASH是一種非易失性存儲器NVM（Non-Volatile Memory），具有如下共同特點：

（1）區塊結構

FLASH在物理結構上分成若干個區塊，區塊之間相互獨立。比如NOR FLASH把整個Memory分成若干個Sector，而NAND FLASH把整個Memory分成若干個Block。

（2）先擦后寫

由于FLASH的寫操作只能將數據位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對存儲器進行寫入之前必須先執行擦操作，將預寫入的數據位初始化為1。擦操作的最小單位是一個區塊，而不是單個字節。

（3）操作指令

除了NOR FLASH的讀，FLASH的其它操作不能像RAM那樣，直接對目標地址進行總線操作。比如執行一次寫操作，它必須輸入一串特殊的指令（NOR FLASH），或者完成一段時序（NAND FLASH）才能將數據寫入到FLASH中。

（4）位反轉

由于FLASH固有的電器特性，在讀寫數據過程中，偶然會產生一位或幾位數據錯誤，這就是位反轉。位反轉無法避免，只能通過其他手段對結果進行事后處理。

（5）壞塊

FLASH在使用過程中，可能導致某些區塊的損壞。區塊一旦損壞，將無法進行修復。如果對已損壞的區塊進行操作，可能會帶來不可預測的錯誤。尤其是NAND FLASH在出廠時就可能存在這樣的壞塊（已經被標識出）。

2.2 NAND 閃存特點

NAND閃存陣列分為一系列128kB的區塊(block)，這些區塊是NAND器件中最小的可擦除實體。擦除一個區塊就是把所有的位(bit)設置為“1”(所有字節(byte)設置為FFh)。寫操作就是通過編程，將已擦除的位從“1”變為“0”。最小的編程實體是字節(byte)。NAND不能同時執行讀寫操作，它可以采用稱為“映射(shadowing)”的方法，在系統級實現這一點。NAND的效率較高，是因為NAND串中沒有金屬觸點。NAND與硬盤驅動器類似，基于扇區(頁)，適合于存儲連續的數據，如圖片、音頻或個人電腦數據。雖然通過把數據映射到RAM上，能在系統級實現隨機存取，但是，這樣做需要額外的RAM存儲空間。此外，跟硬盤一樣，NAND器件存在壞的扇區，需要糾錯碼(ECC)來維持數據的完整性。

3 Flash文件系統的設計

對于一個嵌入式系統，設備的兼容性越好，系統可行性就越好，產品也就越有競爭力。所以，為了兼容不同類型的FLASH設備，對FLASH進行通用設計至關重要。NAND FLASH可以根據相同的指令讀取芯片的廠商號和設備號，從而通過識別設備號調用對應的時序流程實現操作。但是，系統中太多的判斷，會使得程序的結構變得非常復雜。所以，在一定的條件下，NAND FLASH設備還是不兼容的。

為了解決這一問題，一個較好的方法是將FLASH的各個操作指令以及結構特性按照統一的格式存放到FLASH中固定位置。系統初始化時，將這個結構讀入系統，通過分析這個結構，可以獲得關于芯片所有相關信息，包括操作指令，區塊分布等等。這樣，系統可以輕松實現對不同型號FLASH的所有操作，極大地提高了設備的擴展性。

3.1 Flash文件系統的存儲結構

本Flash文件系統將整個存儲空間分成兩個部分：文件分配表和數據區域。

（1）文件分配表（FAT，File Allocation Table）。主要反映了Flash存儲器的扇區的使用情況，記錄了各個扇區的狀態，該扇區當前存放的文件的類型以及該扇區已經進行扇區擦除的次數。每個扇區的使用情況都在文件分配表中存有一項，每個表項占8個字節，數據結構如下所示：

structFAT_item{

char sector_state;/*扇區狀態*/

unsigned short file_type;/*該扇區中存放的文件類型*/

long erase_time;/*該扇區已經進行擦除的次數*/

char reserved;/*保留*/

}

其中扇區有5種狀態分別為：

0xff——空閑扇區；

0xfe——扇區已被占用；

0xfc——扇區的數據為過時數據；

0xf8——臟扇區，可以進行整片的扇區擦除；

0xf0——壞扇區；

（2）數據區域（Data Area）。除了文件分配表以外的扇區都稱為數據區域。該區域采用線性Flash文件系統的設計思想，文件分為文件頭和文件數據區兩部分。文件頭的數據結構如下：

struct file_header{

char name[NAMESIZE];/*文件名*/

long size;/*文件大小*/

struct file_header *next;/*指向下一個文件頭的指針*/

char file_state;/*文件狀態*/

}

文件頭中用一個變量file_state來表示該文件當前的狀態，只用了它的低4位來表示文件的5種狀態，主要用于掉電數據恢復和垃圾回收。這在下面將有詳細講述。此外，本Flash文件系統分配給每個文件塊的空間（即塊大?。?K，故一個扇區中最多可存儲32個文件。用單向鏈表來鏈接文件，若next域為0xff，說明這是分配給該文件的最后一個文件塊。

3.2 壞快管理

閃存芯片在使用過程中會出現壞塊。壞塊是指一個塊中存在一個或多個無效位，其可靠性不能得到保證，必須加以標識和旁路（當然無效塊不會影響到其它塊的有效性）。為了對壞塊實現管理，可以建立一張壞塊到冗余區有效塊的映射表。映射原理如下： 開始是一張初始壞塊映射表，建立數據結構對整個存儲區進行編號，并根據這個編號對映射表進行排序。進行寫操作時，按照上述的映射結構將寫地址與映射表進行比較，比較到塊級即可。如果是壞塊，將待寫入的數據寫到被映射到的塊；如果不是，則直接寫入該塊。如果在寫某塊的某頁時出現編程錯誤，則將該塊添加進壞塊映射表（當編程出錯時就表明出錯頁對應的塊無效），同時從該出錯頁開始，將該塊后面的頁數據都寫入到對應的映射塊。這樣，在數據讀出時，可將讀地址與映射表比較，并且需要比較到頁級以確定每一頁的確切存放位置。如果該頁編程正確，則直接讀出；如果錯誤，則到被映射的塊的對應頁讀數據，并且該頁之后的頁也從被映射塊中讀數據。對壞塊進行讀操作是允許的，即對于編程出錯頁前面的那些編程正確的頁是可以正確讀出的，而對壞塊進行編程和擦除的操作是不推薦的，因為有時這些操作會使鄰近的塊也失效，所以讀操作要查找到每一頁的對應存放位置，而寫操作只要查找到塊就行，查找時采用二分查找算法。擦除完后，將擦除出錯的塊也添加進無效塊映射表。無效塊映射表需要不斷維護和更新

3.3 垃圾回收

由于Flash的底層技術不支持Flash的任意空間被刪除，而必須是以扇區為單位刪除，所以在刪除一個文件的時候，僅僅是在文件頭的標識里作一個刪除標識，而該文件依然保留在Flash空間中并標識它為臟數據DIRTY。這樣導致系統在運行一段時間后，Flash中累積著大量的臟數據，這就有必要對這些臟空間進行回收，來有效利用Flash的存儲空間。

本Flash文件系統中解決的辦法是在系統中創建一個任務recycle_task專門進行垃圾回收，該任務實時地檢查空閑隊列。若空閑隊列中的扇區數小于6時便進行垃圾回收，清除臟數據。在進行垃圾回收時，從待擦寫隊列中（包括臟塊隊列和干凈塊隊列）取出一個扇區，將FAT中的該扇區的狀態修改為過時的OBSOLETE，并將該扇區的擦除次數加1，然后在空閑塊隊列中申請一個空閑扇區，將回收扇區中的有效數據寫到新申請的扇區中，修改FAT中新申請的扇區的狀態，最后擦寫回收扇區，并將其鏈接到空閑塊隊列中。

3.4 均衡磨損（wear_leveling）

均衡磨損的主旨是隨機地將“干凈”（無需擦寫）的塊的內容移至另一個空閑塊后擦寫該扇區，然后將其鏈接到空閑塊隊列中，等待寫入新的數據。這實際上是日志文件系統的核心設計思想。

NAND塊擦寫次數限制為10萬次，日志文件系統不覆寫數據一定程度上保證了損耗平衡的同時，產生了無效頁，當空間不足要回收無效頁的空間，將無效頁所在塊的有效頁拷貝到空閑空間，擦除此塊?；厥账惴ㄒＷC擦寫分攤到各個塊上，延長使用壽命，并盡可能少地拷貝，避免影響I/O效率。本文件系統的損耗平衡由塊分配策略和回收算法來保證。需要空間時從blockInfo數組中線性查找空白塊，并記下地址finder，下次從finder開始新的查找，若finder為最大塊，則回滾到第1塊，故在數據頻繁更新的情況下，如存儲在塊1的數據更新則寫到遞增的塊2， 3， 4，而當2， 3， 4塊是垃圾數據已被回收擦寫，系統再分配的是5， 6塊，避免2， 3， 4塊再次使用而再被擦寫，相當于有一段緩沖時間。加載時發現部分使用的塊則記為finder。采用這種思想設計，能掃描到全部塊，損耗平衡也就解決的更好。

4 結束語

本文所設計的Flash文件系統能較好解決NAND Flash存儲器的管理問題。此解決方案較好地設計實現Flash文件系統，基本滿足了管理閃存的通用行性設計、壞快管理、垃圾回收機制、均衡磨損機制等。對于要求更大容量的嵌入式系統，可采用把幾塊NAND Flash芯片級聯來實現，這樣就可成倍增加系統的容量，這是接下來重點研究的問題。

參考文獻：

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文