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

   摘要：基于Flash存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹適合地車載MP3的Flash文件系統(tǒng)（包括Flash存儲(chǔ)管理系統(tǒng)和FAT文件系統(tǒng)）的具體設(shè)計(jì)。利用Flash文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash存儲(chǔ)器的較好的操作管理功能。

    關(guān)鍵詞：車載MP3 Flash存儲(chǔ)管理系統(tǒng) FAT 文件系統(tǒng)

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(jī)械式傳動(dòng)部件，再加上裝在汽車這個(gè)特定的環(huán)境中，經(jīng)常會(huì)由于機(jī)械傳動(dòng)或者光頭、磁頭受震動(dòng)發(fā)生跳音或絞帶現(xiàn)象，從而影響音質(zhì)。

Flash存儲(chǔ)器由于具有存儲(chǔ)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(diǎn)，正逐步取代其它半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件而廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話、PDA以及數(shù)碼相機(jī)等移動(dòng)電子產(chǎn)品中。其作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序的存儲(chǔ)體，可以將大量數(shù)據(jù)方便、快捷地移動(dòng)和交換。

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

1 Flash存儲(chǔ)器特點(diǎn)

Flash內(nèi)部分為多個(gè)存儲(chǔ)單元塊（block），每個(gè)存儲(chǔ)單元塊又由多個(gè)頁（page）組成。存儲(chǔ)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(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)與一般的存儲(chǔ)器類似，可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)讀取，讀出的速度也很快。而Flash存儲(chǔ)器的寫操作則和一般的存儲(chǔ)器有所不同，F(xiàn)lash的寫操作必須先按存儲(chǔ)塊擦除（寫入0xff到要擦除的存儲(chǔ)單元塊中），再按頁順序?qū)懭?。由于Flash存儲(chǔ)器擦除耗時(shí)較長，所以Flash存儲(chǔ)器寫入的時(shí)間主要在于Flash存儲(chǔ)器內(nèi)部的擦除操作等。

Flash存儲(chǔ)器第一塊一定是有效塊，而其它塊可能會(huì)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(chǔ)器對(duì)內(nèi)部壞塊的判定是，根據(jù)其每一個(gè)單元存儲(chǔ)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(chǔ)器內(nèi)容會(huì)有壞塊，但是由于每一塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是相互獨(dú)立的，所以只要對(duì)其狀態(tài)加以識(shí)別，壞塊并不影響系統(tǒng)對(duì)有效塊的操作。

2 Flash文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文在Flash存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)Flash存儲(chǔ)管理系統(tǒng)來對(duì)Flash進(jìn)行物理管理。而在Flash存儲(chǔ)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上又建立了一個(gè)FAT文件系統(tǒng)來對(duì)文件操作進(jìn)行管理，由Flash存儲(chǔ)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(dòng)壞損管理等通用文件系統(tǒng)所具有的功能；同時(shí)，針對(duì)車載MP3播放器系統(tǒng)特殊的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)改進(jìn)了該文件系統(tǒng)的可靠性，即使在惡劣的條件下也不會(huì)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(chǔ)管理系統(tǒng)

Flash存儲(chǔ)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(jì)了一個(gè)特殊的Flash存儲(chǔ)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(shí)，由于Flash的其它特點(diǎn)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)管理系統(tǒng)還實(shí)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(gè)好的映射關(guān)系，對(duì)Flash的存儲(chǔ)空間在邏輯上進(jìn)行了重新定義。結(jié)合Flash特點(diǎn)，將每個(gè)存儲(chǔ)單元塊內(nèi)部分成若干物理扇區(qū)，每個(gè)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(duì)地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

絕對(duì)地址=Flash基地址+物理扇區(qū)號(hào)×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(duì)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(jìn)行ReadFile()操作，便可以根據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過執(zhí)行Flash存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中的sectorread()操作來實(shí)現(xiàn)。

（2）可靠性設(shè)計(jì)

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(huì)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(hào)、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(hào)	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(chǔ)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(jìn)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(shí)能夠?qū)Ξ?dāng)時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)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(huì)有壞塊，因此Flash存儲(chǔ)管理系統(tǒng)需要對(duì)Flash進(jìn)行壞塊管理。本文對(duì)壞塊的管理分以下兩種情況：

①初始?jí)膲K處理。Flash存儲(chǔ)器在使用前可能會(huì)有壞塊，而且這些壞塊是隨機(jī)分布的。所以，F(xiàn)lash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(gè)壞塊表，然后對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)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(cuò)誤時(shí)，F(xiàn)lash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(gè)新的空塊中，然后再將該塊標(biāo)記為壞塊，加入到壞塊表中。在這個(gè)處理過程中，由于對(duì)Flash的擦除或者編程操作都會(huì)使得Flash存儲(chǔ)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(chǔ)器的存儲(chǔ)單元塊成為壞塊后便不再對(duì)該塊進(jìn)行擦除或編程操作，以免將壞塊標(biāo)志位數(shù)據(jù)清除掉，而是將該塊標(biāo)記為壞塊，并將其加入壞塊表中。

Flash文件管理系統(tǒng)在進(jìn)行上述壞塊管理后，壞塊單元對(duì)用戶應(yīng)用是完全透明的。這大大方便了用戶的使用，也達(dá)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(huì)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(duì)同一塊地址操作，以免造成局部單元提前損壞；同時(shí)，由于擦除操作耗時(shí)較多，也應(yīng)減少擦除操作，應(yīng)該盡量達(dá)到擦寫次數(shù)均衡。為此，本文設(shè)計(jì)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(gè)空塊中，降低由于Flash先擦除后寫入的特性帶來的對(duì)塊的頻繁擦除；同時(shí)，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(duì)Flash進(jìn)行寫入前必須先對(duì)Flash進(jìn)行壞塊掃描，以確保不會(huì)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(jì)也是為了提高車載MP3播放系統(tǒng)的可靠性。

2.2 FAT設(shè)計(jì)

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(duì)文件操作進(jìn)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(chǔ)器的類型、容量以及劃分成多少個(gè)簇；每個(gè)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(hào)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(shí)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(chǔ)空間族鏈以及Flash存儲(chǔ)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(gè)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(gè)備份進(jìn)行順次修改，以此確保Flash存儲(chǔ)器上總是存有一整套完好的文件分配表。

系統(tǒng)對(duì)FAT表的訪問原理如下：訪問文件時(shí)先從要目錄中找到該文件的目錄項(xiàng)，從中讀出首簇號(hào)。然后，目錄中找到該文件的目錄項(xiàng)，從中讀出首簇號(hào)。然后在FAT中找到從該首簇號(hào)開始的簇鏈，簇鏈上的簇號(hào)即為文件在邏輯扇區(qū)中占用的扇區(qū)號(hào)鏈，這樣便可以進(jìn)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(gè)扇區(qū)作為根目錄區(qū)，可以保存512個(gè)目錄項(xiàng)。每個(gè)目錄項(xiàng)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(shí)間以及文件在數(shù)據(jù)區(qū)中所占的首簇號(hào)，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(duì)數(shù)據(jù)區(qū)的存儲(chǔ)空間是按簇進(jìn)行劃分和管理的。該系統(tǒng)中，定義1Cluster=32sector，一個(gè)文件總是占用若干個(gè)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(duì)文件的操作進(jìn)行管理后，該車載播放系統(tǒng)便可以實(shí)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(jì)，F(xiàn)lash的存儲(chǔ)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(huì)丟失數(shù)據(jù)，更不會(huì)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(jì)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。

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