基于虛擬扇區(qū)的Flash存儲管理技術(shù)
摘要:首先,針對閃存Flash的存儲編程特點(diǎn),提出一種基于虛擬扇區(qū)的閃存管理技術(shù),使系統(tǒng)對Flash的擦寫次數(shù)大大降低,從而提高Flash的使用壽命和整個系統(tǒng)的性能。然后,通過嵌入式系統(tǒng)電子名片管理器,介紹這一技術(shù)的使用。隨著閃存的廣泛應(yīng)用,對Flash的有效存儲管理將有很大的實(shí)用意義和社會效益。
關(guān)鍵詞:閃存Flash 虛擬扇區(qū)VSS 存儲管理 扇區(qū)分配表SAT
引言
隨著嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,大量需要一種能多次編程,容量大,讀寫、擦除快捷、方便、簡單,外圍器件少,價(jià)格低廉的非易揮發(fā)存儲器件。閃存Flash存儲介質(zhì)就是在這種背景需求下應(yīng)運(yùn)而生的。它是一種基于半導(dǎo)體的存儲器,具有系統(tǒng)掉電后仍可保留內(nèi)部信息,及在線擦寫等功能特點(diǎn),是一種替代EEPROM存儲介質(zhì)的新型存儲器。因?yàn)樗淖x寫速度比EEPROM更快,在相同容量的情況下成本更低,因此閃存Flash將是嵌入式系統(tǒng)中的一個重要組成單元。
然而,由于Flash讀寫存儲的編程特點(diǎn),有必要對其進(jìn)行存儲過程管理,以使整個系統(tǒng)性能得以改善。
1 閃存Flash的存儲編程特點(diǎn)
Flash寫:由1變?yōu)?,變?yōu)?后,不能通過寫再變?yōu)?。
Flash擦除:由0變?yōu)?,不能只某位單元進(jìn)行擦除。
Flash的擦除包括塊擦除和芯片擦除。塊擦除是把某一擦除塊的內(nèi)容都變?yōu)?,芯片擦除是把整個Flash的內(nèi)容都變?yōu)?。通常一個Flash存儲器芯片,分為若干個擦除block,在進(jìn)行Flash存儲時,以擦除block為單位。
當(dāng)在一個block中進(jìn)行存儲時,一旦對某一block中的某一位寫0,再要改變成1,則必須先對整個block進(jìn)行擦除,然后才能修改。通常,對于容量小的block操作過程是:先把整個block讀到RAM中,在RAM中修改其內(nèi)容,再擦除整個block,最后寫入修改后的內(nèi)容。顯然,這樣頻繁復(fù)雜的讀-擦除-寫操作,對于Flash的使用壽命以及系統(tǒng)性能是很不好的,而且系統(tǒng)也常常沒有這么大的RAM空間資源。一種基于虛擬扇區(qū)的管理技術(shù)可以有效地控制Flash的擦寫次數(shù),提高Flash的使用壽命,從而提高系統(tǒng)性能。
2 基本原理
2.1概念
VSS(Visual Small Sector),虛擬小扇區(qū):以它為單位讀寫Flash內(nèi)容。
VSS ID(Visual Small Sector Identity),虛擬小扇區(qū)號:只通過虛擬扇區(qū)號進(jìn)行存儲,不用考慮它的真實(shí)物理地址。
SI(Sector Identity),分割號:一個擦寫邏輯塊中物理扇區(qū)的順序分割號。
BI(Block Identity),塊號:Flash芯片中按擦除進(jìn)行劃分的塊號。
SAT(Sector Allocate Table),扇區(qū)分配表:一個擦寫邏輯塊中的扇區(qū)分配表。一個SAT由許多SAT單元組成,一個SAT表對應(yīng)一個Block,一個SAT單元對應(yīng)一個VSS。
每個SAT單元最高兩位為屬性位,后面各位為VSS ID號。如果一個SAT單元由16位組成,則VSS ID最大可以達(dá)到16×1024;而如果SAT單元由8位組成,則VSS ID最大可以達(dá)到64,具體約定由應(yīng)用情況而定。
2.2 實(shí)現(xiàn)原理
把每個block分為更小的虛擬邏輯塊(visual small sector),稱為虛擬扇區(qū),扇區(qū)大小根據(jù)應(yīng)用而定。每個block前面的一固定單元用于記錄本block中扇區(qū)分配的使用情況(即扇區(qū)分配表),包括扇區(qū)屬性及扇區(qū)邏輯號。圖1為邏輯扇區(qū)劃分示意圖。
在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫和修改時,以虛擬扇區(qū)塊的大小為單位。要修改某一扇區(qū)的數(shù)據(jù)時,先讀出這個扇區(qū)的內(nèi)容,重新找一個未使用的扇區(qū),把修改后的內(nèi)容寫入這個新扇區(qū)。然后,修改原來扇區(qū)的屬性值為無效,修改這個新扇區(qū)的屬性為有效,拷貝VSS ID號到新扇區(qū)對應(yīng)的SAT單元中。
這樣,當(dāng)某一個block中的SAT屬性都標(biāo)為無效時,才對當(dāng)前block進(jìn)行擦寫。可見,以虛擬扇區(qū)大小為單位的存儲管理,對Flash塊的擦寫次數(shù)可大大減少,從而提高了系統(tǒng)性能。
3 VSS管理實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)
3.1 常數(shù)部分
#define BLOCKSIZE 128*1024 //可根據(jù)Flash型號修改
#define SECTORSIZE 512 //可根據(jù)Flash型號及應(yīng)用情況修改
#define MAX_BLOCK 8 //可擦除塊個數(shù)
#define MAX_SI_1B 255 //每個可擦除塊中有效SI個數(shù)
#define SATSIZE 510 //扇區(qū)分配表大小
#define VSS_MASK 0XC000 //VSS屬性屏蔽值
#define VSS_FREE 0XC000 //VSS為未使用的屬性值
#define VSS_VALID 0X4000 //VSS為有效的屬性值
#define VSS_INVALID 0X0000 //VSS為無效的屬性值
3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)部分
unsigned char VSS_Table[MAX_BLOCK][MAX_SI_1B/8];用于記錄Flash中各個block的使用情況。數(shù)組中的某位為1,表示相應(yīng)sector為未使用;否則,為已經(jīng)寫過,系統(tǒng)通過這個表可以跟蹤各個block的使用情況。
3.3 函數(shù)功能部分
1) Flash_Format()//擦除整塊Flash存儲介質(zhì)。
2) Flash_Init()//對VSS管理系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化,填充VSS_Table表,統(tǒng)計(jì)Flash的使用情況。在系統(tǒng)復(fù)位初始時調(diào)用。
3) Block_Erase(int blockID)//擦除塊號為block ID的塊。
4) Find_VSS(int vss)//查找VSS所在的block ID及分割號SI。
5) Get_Addr(int vss)//取得VSS所在的物理地址。
6) Scan_SAT(int blockID)//整理塊號為block ID的SAT,填充VSS_Table[]。
7) Flash_Read(long addr,char *pdata,int len)//從物理地址為addr的Flash處讀取len個字節(jié)到pdata。
8) Flash_Write(long addr,char *pdata,int len)//寫pdata中長度為len的數(shù)據(jù)到指定地址為addr的Flash中。
9) Read_Sat(int bi)//讀取塊號為blockID的SAT。
10) IsValid(vat)//檢查本SAT單元屬性是否有效。
11) IsFree(vat)//檢查本SAT單元屬性是否未使用。
12) IsInvalid(vat)//檢查本SAT單元屬性是否無效。
13) Read_VSS(addr)//從地址為addr處讀一個VSS。
14) Write_VSS(addr,*pData)//把pData中的內(nèi)容寫到從地址addr開始的一個VSS中。
4 計(jì)算VSS ID的物理地址
要對某個VSS ID進(jìn)行讀寫操作,必須先找到其物理地址。
定位某個VSS ID物理地址的過程如下。
① 查找這個VSS ID所在的塊號(BI)以及在這個塊中所處的分割號(SI)。
從第一個block開始,搜索這個塊的SAT表。首先搜索屬性,只有屬性為有效的才比較VSS ID號。如果條件滿足,記錄所在的塊號BI及SAT的位置,即扇區(qū)分割號SI;否則,block號增加,繼續(xù)按照上面步驟查找。
bFound=0;
for(int i=0;i<MAX_block;i++)
{//讀取對應(yīng)block的SAT表
psat=ReadSat(i)
for(j=0;j<MAX_SI_1B;j++)
{//分析每個SAT單元
sat=*psat++;
if(IsValid(sat))//比較屬性是否有效
{//比較邏輯號是否相等,相等設(shè)置標(biāo)志退出
if(Equal(sat,VSSID)){bFound=1;break;}
}
}
if(bFound){bi=i;si=j;break;}//找到后記錄塊號和分割號退出
}
②找到VSS ID所在的塊號及分割號(SI)后,這個VSS ID的物理地址為:
ADDR=整個Flash的偏地址+
BLOCKID*BLOCKSIZE+SATSIZE+SI*SECTERSIZE。
5 應(yīng)用
應(yīng)用于名片記錄管理系統(tǒng):由于名片記錄很大,而且記錄很多,存在常常修改的情況,因此可以使用Flash作存儲介質(zhì)。
名片記錄結(jié)構(gòu)為:
struct CARD
{
char name[10]; //姓名:10字節(jié)
char position[15]; //出職務(wù):15字節(jié)
char companyname[40]; //公司名稱:15字節(jié)
char mobilephone[11]; //手機(jī)號碼:11字節(jié)
char homephone[15]; //家庭電話:15字節(jié)
char officephone[15]; //辦公電話:15字節(jié)
char Email[30]; //郵件地址:30字節(jié)
char homepage[30]; //公司主頁:30字節(jié)
char remark[40]; //備注:40字節(jié)
}card_record;
每個名片記錄大小為:181字節(jié)。
對于1MB的Flash,分為8個block,每個block為128KB(131072字節(jié))。
針對以上情況,作如下分配:
每個扇區(qū)大小為181字節(jié);
SAT大小為1432字節(jié),每個SAT單元用16位(2字節(jié));
分為716個扇區(qū),也相當(dāng)于1個block能存716條名片記錄,則131072-1432-716×181=44字節(jié)為空閑。
常數(shù)定義部分修改如下:
#define blockSIZE 128*1024 //每個block大小
#define SECTORSIZE 181 //每個扇區(qū)大小
#define MAX_SI_1B 716 //每個可擦除塊中有SI個數(shù)
#define SATSIZE 1432 //扇區(qū)分配表大小
#define VSS_MASK 0XC000 //VSS屬性屏蔽值
#define VSS_FREE 0XC000 //VSS為未使用的屬性值
#define VSS_VALID 0X4000 //VSS為有效的屬性值
#define VSS_INVALID 0X0000 //VSS為無效的屬性值
約定:首先對名片進(jìn)行編號,且約定名片的編號對應(yīng)于VSS ID邏輯號。
a) 記錄增加。增加一個記錄時,根據(jù)提供的VSS?。桑奶枺紫炔檎疫@個記錄號是否在使用。如果還沒有使用,首先查找這個記錄號是否在使用。如果還沒有使用,則申請一個未使用的VSS,把相在內(nèi)容寫入這個VSS,修改其對應(yīng)的SAT單元,寫入有效屬性值和VSSID號;否則,進(jìn)入記錄修改過程。
b) 記錄刪除。要刪除一個記錄時,根據(jù)提供的VSS ID號,查找SAT表。如果找到,修改其對應(yīng)的SAT屬性為無效;否則,說明這個記錄不存在。
c) 記錄查找。①由VSS?。桑奶栠M(jìn)行的查找:根據(jù)提供的VSS?。桑奶枺檎宜械模樱粒员碇袑傩詾橛行У模郑樱印。桑?,返回相應(yīng)的BI及SI。②根據(jù)名片的用戶名查找:檢測所有的SAT表中屬性為有效的VSS ID,得到相應(yīng)的BI及SI,由BI及SI定位到指定Flash物理地址讀入用戶各到RAM中,比較是否相等。如果相等,讀取并返回SAT單元的VSS ID;否則,繼續(xù)查找。
d) 記錄修改。當(dāng)要修改一名片記錄時,由VSS?。桑南劝堰@個記錄讀入到RAM中,然后修改其內(nèi)容,重新找一個未使用的扇區(qū),把修改后的內(nèi)容寫入到這個新扇區(qū)中,并拷貝其VSS?。桑奶柕竭@個新扇區(qū)對應(yīng)的SAT單元,修改其屬性為高,修改原來的扇區(qū)屬性為無效。
結(jié)語
本文提出的Flash存儲管理技術(shù)原理簡單實(shí)用。它是對那些復(fù)雜的Flash文件管理系統(tǒng)的一種剪裁、簡化和定制。對于那些不需要復(fù)雜的文件管理系統(tǒng),而又使用了Flash作為存儲介質(zhì)的嵌入式系統(tǒng)有很好的借鑒意義和使用價(jià)值,如手機(jī)電話號碼簿管理、短信管理等都可以利用這種技術(shù)進(jìn)行管理。