車載MP3中Flash文件系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

  引言

    目前車載播放器基本上采用的是CD播放器、MD播放器以及磁帶播放器等。由于這類播放器內(nèi)部具有一些機械式傳動部件,再加上裝在汽車這個特定的環(huán)境中,經(jīng)常會由于機械傳動或者光頭、磁頭受震動發(fā)生跳音或絞帶現(xiàn)象,從而影響音質(zhì)。

    Flash存儲器由于具有存儲容量大、掉電數(shù)據(jù)不丟失、何種小以及可多次擦寫等許多優(yōu)點,正逐步取代其它半導(dǎo)體存儲器件而廣泛應(yīng)用于移動電話、PDA以及數(shù)碼相機等移動電子產(chǎn)品中。其作為存儲數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序的存儲體,可以將大量數(shù)據(jù)方便、快捷地移動和交換。

    基于上述兩點設(shè)計了一個車載MP3系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Flash作為外存儲器,并且由全固態(tài)器件組成,播放時不會出現(xiàn)跳音或絞帶現(xiàn)象,音質(zhì)也很好。由于Flash存儲器在應(yīng)用過程中可能會出現(xiàn)壞損單元,影響車載MP3播放器的性能,因此本文針對Flash存儲器自身的物理特性,設(shè)計了一個文件系統(tǒng),對Flash存儲器中的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行基于文件名或者文件號的存儲管理以及應(yīng)用透明的壞損管理。該系統(tǒng)優(yōu)化了存儲速度和存儲空間,提高了車載MP3播放系統(tǒng)的可靠性。

    1 Flash存儲器特點

    Flash內(nèi)部分為多個存儲單元塊（block）,每個存儲單元塊又由多個頁（page）組成。存儲單元塊是可擦除的最小單位,頁是寫入數(shù)據(jù)的最小單位。

    Flash存儲器讀取數(shù)據(jù)與一般的存儲器類似,可以實現(xiàn)隨機讀取,讀出的速度也很快。而Flash存儲器的寫操作則和一般的存儲器有所不同,Flash的寫操作必須先按存儲塊擦除（寫入0xff到要擦除的存儲單元塊中）,再按頁順序?qū)懭?。由于Flash存儲器擦除耗時較長,所以Flash存儲器寫入的時間主要在于Flash存儲器內(nèi)部的擦除操作等。

    Flash存儲器第一塊一定是有效塊,而其它塊可能會在使用前就是壞塊或者在使用過程中變成壞塊（invalid block）。Flash存儲器對內(nèi)部壞塊的判定是,根據(jù)其每一個單元存儲塊中的第3區(qū)中的第6 Cloumn內(nèi)容是否為0xff來定。雖然Flash存儲器內(nèi)容會有壞塊,但是由于每一塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是相互獨立的,所以只要對其狀態(tài)加以識別,壞塊并不影響系統(tǒng)對有效塊的操作。

    2 Flash文件系統(tǒng)設(shè)計

    本文在Flash存儲的基礎(chǔ)上設(shè)計了一個Flash存儲管理系統(tǒng)來對Flash進行物理管理。而在Flash存儲管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上又建立了一個FAT文件系統(tǒng)來對文件操作進行管理,由Flash存儲管理系統(tǒng)和FAT文件系統(tǒng)共同組成了Flash文件系統(tǒng)。該文件系統(tǒng)完全支持文件名管理、自動壞損管理等通用文件系統(tǒng)所具有的功能;同時,針對車載MP3播放器系統(tǒng)特殊的應(yīng)用環(huán)境,設(shè)計改進了該文件系統(tǒng)的可靠性,即使在惡劣的條件下也不會影響音質(zhì)。Flash文件系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    2.1 Flash存儲管理系統(tǒng)

    Flash存儲器的操作是以塊為單位的,而FAT文件系統(tǒng)則是建立在以扇區(qū)（sector）為單位的磁盤操作基礎(chǔ)上（通常為512字節(jié)/扇區(qū)）。因此,本文設(shè)計了一個特殊的Flash存儲管理系統(tǒng),來解決以塊為單位的Flash物理特性和以扇區(qū)為單位的文件系統(tǒng)接口之間的矛盾,以使得Flash的物理地址和FAT操作的邏輯地址之間能夠?qū)?yīng)。同時,由于Flash的其它特點,Flash存儲管理系統(tǒng)還實現(xiàn)了各塊之間的擦寫次數(shù)均衡和壞塊管理等工作。

    （1）物理地址到邏輯地址的映射

    為了在Flash物理地址和FAT操作的邏輯地址之間建立一個好的映射關(guān)系,對Flash的存儲空間在邏輯上進行了重新定義。結(jié)合Flash特點,將每個存儲單元塊內(nèi)部分成若干物理扇區(qū),每個物理扇區(qū)由512字節(jié)+16字節(jié)=528字節(jié)組成。其中Main Area的512字節(jié)為有效數(shù)據(jù)空間,而Spare Area的16字節(jié)用于存放其它信息。

    由上述定義便可以確定Flash物理扇區(qū)和絕對地址之間的對應(yīng)關(guān)系：

    絕對地址=Flash基地址+物理扇區(qū)號×528

    在建立了物理地址和邏輯地址之間的映射關(guān)系之后,但可以很好地將車載系統(tǒng)對音頻文件的操作轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)直接Flash的編程或者擦除操作。例如,在該系統(tǒng)中要進行ReadFile()操作,便可以根據(jù)其對應(yīng)關(guān)系,通過執(zhí)行Flash存儲管理系統(tǒng)中的sectorread()操作來實現(xiàn)。

    （2）可靠性設(shè)計

    由于該車載系統(tǒng)采用汽車供電,因此當(dāng)汽車處于不太平衡的環(huán)境中,可能會由于顛簸千萬播放系統(tǒng)的異常斷電,所以提高車載MP3播放系統(tǒng)的可靠性非常重要。本文通過將Spare Area的16字節(jié)定義為邏輯扇區(qū)號、扇區(qū)當(dāng)前狀態(tài)、壞塊信息等來提高播放系統(tǒng)的可靠性。其中Spare Area的具體定義如下：

    邏輯扇區(qū)號  扇區(qū)當(dāng)前狀態(tài)  壞塊信息  保留字節(jié)
 
    第1～3字節(jié)  第4～5字節(jié)    第6字節(jié)  第7～16字節(jié) 

    由以上定義可以看到,Spare Area的第4～5字節(jié)用于存儲扇區(qū)當(dāng)前狀態(tài)。這樣在Flash寫操作過程中,如果突然斷電,便可以根據(jù)此狀態(tài)進行掉電數(shù)據(jù)恢復(fù)。該系統(tǒng)中設(shè)定扇區(qū)當(dāng)前狀態(tài)有3種：扇區(qū)為空（0xfff）、扇區(qū)數(shù)據(jù)無用（0x0000）、扇區(qū)數(shù)據(jù)有效（0x00ff）。這樣定義以后,系統(tǒng)便可以在Flash寫操作異常終止時能夠?qū)Ξ?dāng)時的狀態(tài)進行及時的保存,以便下次系統(tǒng)開啟后能夠判斷出上次系統(tǒng)中存在的問題并作出相應(yīng)的處理。

    （3）壞塊管理

    由于Flash內(nèi)部會有壞塊,因此Flash存儲管理系統(tǒng)需要對Flash進行壞塊管理。本文對壞塊的管理分以下兩種情況：

    ①初始壞塊處理。Flash存儲器在使用前可能會有壞塊,而且這些壞塊是隨機分布的。所以,Flash文件管理系統(tǒng)在系統(tǒng)執(zhí)行讀寫操作之前先建立一個壞塊表,然后對Flash存儲器進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊,并將壞塊標記為不可用,加入到壞塊表中。

    ②操作過程中壞塊處理。在擦除或者編程過程中發(fā)生錯誤時,Flash文件管理系統(tǒng)將該塊中其它頁的數(shù)據(jù)重新拷貝到一個新的空塊中,然后再將該塊標記為壞塊,加入到壞塊表中。在這個處理過程中,由于對Flash的擦除或者編程操作都會使得Flash存儲單元塊的內(nèi)容改變,所以Flash文件管理系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)Flash存儲器的存儲單元塊成為壞塊后便不再對該塊進行擦除或編程操作,以免將壞塊標志位數(shù)據(jù)清除掉,而是將該塊標記為壞塊,并將其加入壞塊表中。

    Flash文件管理系統(tǒng)在進行上述壞塊管理后,壞塊單元對用戶應(yīng)用是完全透明的。這大大方便了用戶的使用,也達到了車載MP3播放系統(tǒng)的目的。

    （4）均衡擦寫次數(shù)

    由于Flash有一定的使用壽命,一般可擦除的次數(shù)為10～100萬次,所以隨著使用次數(shù)的增加,會有一些單元逐漸變得不穩(wěn)定或失敗。因此,要盡量避免頻繁地對同一塊地址操作,以免造成局部單元提前損壞;同時,由于擦除操作耗時較多,也應(yīng)減少擦除操作,應(yīng)該盡量達到擦寫次數(shù)均衡。為此,本文設(shè)計了Flash更新算法和磨損程度檢測算法。

    Flash更新算法是將Flash中要更新的數(shù)據(jù)直接寫入一個空塊中,降低由于Flash先擦除后寫入的特性帶來的對塊的頻繁擦除;同時,也提高了Flash的使用效率,加快了操作速度。磨損程度檢測算法是在對Flash進行寫入前必須先對Flash進行壞塊掃描,以確保不會將數(shù)據(jù)寫入壞塊從而此起數(shù)據(jù)的丟失。這樣設(shè)計也是為了提高車載MP3播放系統(tǒng)的可靠性。

    2.2 FAT設(shè)計

    在Flash文件管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,還建立了FAT文件系統(tǒng)來對文件操作進行管理。將FAT文件系統(tǒng)具體分為以下四部分：

    （1）FAT的引導(dǎo)區(qū)

    該引導(dǎo)區(qū)存放代碼所需的信息及最重要的文件系統(tǒng)信息。這些信息包括了Flash存儲器的類型、容量以及劃分成多少個簇;每個簇包含多少扇區(qū)、FAT表數(shù)目、保留扇區(qū)數(shù)、根目錄的首簇號及根目錄入口數(shù)、版本信息等等。引導(dǎo)扇區(qū)是在格式化Flash時生成的。

    （2）FAT的文件分配表

    文件分配表存放文件所占用的存儲空間族鏈以及Flash存儲器的占用和空閑空間的情況,非常重要。為了防止文件分配表損壞而引起文件的丟失,該系統(tǒng)中保存了兩個相同的文件分配表FAT1和FAT2,以改善其安全性。在文件系統(tǒng)的操作中,程序?qū)AT表結(jié)構(gòu)的兩個備份進行順次修改,以此確保Flash存儲器上總是存有一整套完好的文件分配表。

    系統(tǒng)對FAT表的訪問原理如下：訪問文件時先從要目錄中找到該文件的目錄項,從中讀出首簇號。然后,目錄中找到該文件的目錄項,從中讀出首簇號。然后在FAT中找到從該首簇號開始的簇鏈,簇鏈上的簇號即為文件在邏輯扇區(qū)中占用的扇區(qū)號鏈,這樣便可以進行數(shù)據(jù)讀寫了。

    （3）FAT的根目錄區(qū)

    FAT的根目錄區(qū)是固定大小的緊跟在FAT表后的區(qū)域。本文將從FAT區(qū)之后緊跟的32個扇區(qū)作為根目錄區(qū),可以保存512個目錄項。每個目錄項記錄了該文件的文件名、文件屬性、文件大小、文件創(chuàng)建的日期和時間以及文件在數(shù)據(jù)區(qū)中所占的首簇號,即該文件在FAT表中的入口等數(shù)據(jù)。

    （4）FAT的數(shù)據(jù)區(qū)

    數(shù)據(jù)區(qū)存在文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容。文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)區(qū)的存儲空間是按簇進行劃分和管理的。該系統(tǒng)中,定義1Cluster=32sector,一個文件總是占用若干個整簇,文件所使用的最后一簇剩余空間就不再使用。

    由圖1可以看出,該FAT文件系統(tǒng)提供文件的格式化,文件的打開、刪除、關(guān)閉,文件的讀寫、查找等基本的功能。通過Flash文件系統(tǒng)對文件的操作進行管理后,該車載播放系統(tǒng)便可以實現(xiàn)選曲、添加刪除歌曲、下載歌曲、音量調(diào)節(jié)等一系列功能了。

    3 應(yīng)用

    通過這樣的設(shè)計,Flash的存儲性能有了較大的改善,而且系統(tǒng)的可靠性也很好。即使在Flash寫操作異常終止頻發(fā)的最惡劣工作條件下,也不會丟失數(shù)據(jù),更不會損壞非常重要的文件分配表結(jié)構(gòu)而造成系統(tǒng)的崩潰;因此,本文所設(shè)計的Flash文件系統(tǒng)能很好地適合于車載MP3播放系統(tǒng)的應(yīng)用。