FAT文件系統(tǒng)在NAND Flash存儲(chǔ)器上的改進(jìn)設(shè)計(jì)

摘要 嵌入式系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在其F1ash芯片上。根據(jù)Flash器件的固有特性，構(gòu)建一個(gè)適合管理NAND Flash存儲(chǔ)器的FAT文件系統(tǒng)，并闡述具體的設(shè)計(jì)思想。該系統(tǒng)改進(jìn)了FAT表和FRT表的存儲(chǔ)方式，延長(zhǎng)了存儲(chǔ)器的使用壽命，提高了穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞 NAND Flash存儲(chǔ)器 FATl6文件系統(tǒng)FAT表FRT表

    NAND Flash存儲(chǔ)器是一種數(shù)據(jù)正確性非理想的器件，容易出現(xiàn)位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，同時(shí)在使用中可能會(huì)有壞損單元。數(shù)據(jù)寫入必須在李白的區(qū)塊或者擦除后的區(qū)塊巾進(jìn)行，其底層技術(shù)要求以塊為單位進(jìn)行擦除(將“Oxff”寫入到要擦除的存儲(chǔ)塊中)，再按頁(yè)寫入。Flash存儲(chǔ)器的擦除次數(shù)是有限的，一般是100000次。當(dāng)某塊執(zhí)行過(guò)度的擦除操作后，這一塊的存儲(chǔ)空間將會(huì)變?yōu)椤爸蛔x”狀態(tài)，不能再寫入數(shù)據(jù)。根據(jù)以上特點(diǎn)，為了避免某些塊的過(guò)度操作，而導(dǎo)致存儲(chǔ)卡使用壽命降低，設(shè)計(jì)專門針對(duì)Flash存儲(chǔ)器的文件系統(tǒng)是必要的。

1 NAND FIash存儲(chǔ)器的特點(diǎn)
    NAND Flash存儲(chǔ)器的讀取操作與普通SRAM存儲(chǔ)器類似，可以隨機(jī)讀取，讀出的速度也很快。芯片生產(chǎn)廠商規(guī)定存儲(chǔ)空間的第1塊必須是有效塊，裝載了出廠標(biāo)識(shí)、系統(tǒng)配置等信息；而其他塊可能在使用前就足壞塊，需要在初次使用時(shí)進(jìn)行壞塊檢測(cè)并標(biāo)記，禁止數(shù)據(jù)寫入，由于存儲(chǔ)器每一塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是相互獨(dú)立的，壞塊并不影響系統(tǒng)的操作。
    在設(shè)計(jì)NAND Flash文件系統(tǒng)前，首先要了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前市面上的NAND Flash芯片單片容量已高達(dá)lGB，存儲(chǔ)器容量最高達(dá)4GB(由4片1GB的芯片封裝而成)。知名的NAND Flash制造商有Samsung、Tashiba等公司。下面以Samsung公司的K9wAG08UlM為例，說(shuō)明大容量NAND Flash芯片的組織結(jié)構(gòu)。在K9WAG08U1M中，頁(yè)(page)是最基本的組織單位。每頁(yè)有2048+64=2112字節(jié)，64頁(yè)構(gòu)成一個(gè)塊。(block)，每塊的容量是(2048+64)×64=(128KB+4KB)，芯片共8192塊，總存儲(chǔ)容量為(128KB+4KB)×8192=lGB+32MB。存儲(chǔ)器每頁(yè)帶有64字節(jié)的冗余字節(jié)。整個(gè)芯片共計(jì)32 MB的冗余空間，用于存放塊信息和ECC校驗(yàn)碼等。

2 FIash文件系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)
    目前嵌入式設(shè)備的Flash文件系統(tǒng)主要有3種：M-Systems公司的TrueFFS、JFFSx以及唯一專門針對(duì)NAND F1ash設(shè)計(jì)的YAFFS。這3種Flash文件系統(tǒng)都引入了日志結(jié)構(gòu)的思想，其巾JFFSx和YAFFS是代碼開源的。
    現(xiàn)在大多數(shù)嵌入式手持設(shè)備上的操作系統(tǒng)采用FAT文件系統(tǒng)，而DOS下通用的FAT文件系統(tǒng)并不適合直接移植到Flash存儲(chǔ)器中．主要有以下3個(gè)原因：第l，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用條件惡劣，電源電壓不穩(wěn)定，突發(fā)性斷電以及非法插拔都將對(duì)Flash的存儲(chǔ)造成災(zāi)難性的影響；通用文件系統(tǒng)對(duì)于可靠性的設(shè)計(jì)考慮不足。第2，通用文件系統(tǒng)的記錄信息需要被多次改寫(如FAT表)，而記錄信息放在固定的區(qū)塊中，將導(dǎo)致該區(qū)塊的頻繁使用，影響整個(gè)Flash器件的使用壽命。第3，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器讀取速度比磁盤驅(qū)動(dòng)器快，存儲(chǔ)的內(nèi)容很多是多媒體數(shù)據(jù)資料。這些數(shù)據(jù)允許一定程度的誤碼率，未必需要像通用文件系統(tǒng)那樣嚴(yán)格保證存儲(chǔ)的正確性。如果通過(guò)靈活的校驗(yàn)機(jī)制與壞損管理，則可以達(dá)到更高效的存儲(chǔ)空間利用率。這對(duì)成本敏感的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是更加需要考慮的。
    針對(duì)上述情況，本設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)適合NAND Flash存儲(chǔ)器的FAT文件系統(tǒng)。針對(duì)其存儲(chǔ)特點(diǎn)，對(duì)FAT表和FRT表的存儲(chǔ)方式進(jìn)行了改進(jìn)，延長(zhǎng)了使用壽命，增強(qiáng)了可靠性，使之更有利于Flash存儲(chǔ)器的應(yīng)用。

3 FAT文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    FAT文件系統(tǒng)技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)資源開銷小，易于在嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。
    文件系統(tǒng)由以下4部分組成：
    O——系統(tǒng)記錄區(qū)(System Record Region)；
    1——FAT表區(qū)(FAT Region)；
    2——文件登記表區(qū)(File Register Table Region)；
    3——數(shù)據(jù)區(qū)(Data Region)。
    ①系統(tǒng)記錄區(qū)(System Record Region，SR)存放最重要的文件系統(tǒng)信息，如Flash存儲(chǔ)器的類型、容量、版本信息、數(shù)據(jù)區(qū)域的位置和大小，還包括分區(qū)表和主引導(dǎo)程序。主引導(dǎo)程序的任務(wù)是檢查分區(qū)表是否正確，自動(dòng)讀取
FAT表和FRT表，將其復(fù)制到控制終端的內(nèi)存中。
    ②文件分配表(File Allocation Table，F(xiàn)AT)存放Flash存儲(chǔ)器上所有區(qū)塊的占用與空閑情況以及每個(gè)文件的存儲(chǔ)連接結(jié)構(gòu)。FAT文件系統(tǒng)中有12位、1 6位、32位3種不同的格式。不同格式的文件系統(tǒng)管理存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)不同，如FATl6文件系統(tǒng)采用16位字長(zhǎng)的分配表，最多可以管理2的16次方(65536)的基本存儲(chǔ)單元。
    ③文件登記表(File Register Table，F(xiàn)RT)緊跟在FAT表之后．存放F1ash文件系統(tǒng)中每一個(gè)文件的代號(hào)、長(zhǎng)度、屬性、目錄、生成或最后修改的時(shí)間，以及該文件的存儲(chǔ)鏈在文件分配表中的入口。
    ④數(shù)據(jù)區(qū)域(Data Region)用于存放數(shù)據(jù)。本Flash文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分配的最小單位是Flash存儲(chǔ)器的一個(gè)基本擦除單元，即一個(gè)物理區(qū)塊(block)。
    考慮到文件系統(tǒng)在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的方便性并權(quán)衡Flash存儲(chǔ)器的應(yīng)用規(guī)模．選擇、建立FATl6文件系統(tǒng)。

4 FAT文件系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)
    當(dāng)文件系統(tǒng)工作時(shí)，發(fā)生變化的只有FAT表和緊跟在其后的FRT表，因此，只用跟蹤記錄FAT表和FRT表就能知道文件操作的具體情況，這也是文件系統(tǒng)的核心；但Flash存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)與硬盤不同，不能直接改寫其內(nèi)容。直接移植的FAT文件系統(tǒng)、FAT表和FRT表始終存放在同一個(gè)區(qū)塊中，將會(huì)導(dǎo)致該區(qū)塊的使用壽命明顯比其他的區(qū)塊短。如果這一重要區(qū)域失效，那么將影響整個(gè)存儲(chǔ)器的使用，因此必須改進(jìn)兩個(gè)表的存儲(chǔ)方式。
    Flash生產(chǎn)廠商設(shè)定的存儲(chǔ)空間的第l區(qū)塊必定是有效塊。在改進(jìn)的設(shè)計(jì)中，將第1個(gè)區(qū)塊(128KB+4KB)作為存儲(chǔ)器的系統(tǒng)記錄區(qū)，同時(shí)在此區(qū)塊中建立一個(gè)100KB(50頁(yè))的空白區(qū)域，用于記錄FAT表在Flash中的起始地址(FRT表緊跟FAT表之后，不必再單獨(dú)記錄其首地址)。按照寫入操作以頁(yè)為單位的規(guī)則，100 KB的空間，可以加入FAT表的起始地址50次。
    FIash第1塊的分配信息區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    改進(jìn)設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)把FAT表和FRT表作為可移動(dòng)的數(shù)據(jù)放在某一個(gè)區(qū)塊內(nèi)，在Flash的系統(tǒng)信息區(qū)中記錄著FAT表的首地址，并用指針指向它。每次FAT表存儲(chǔ)的位置發(fā)生變化時(shí)，只需將新位置的首地址添加到系統(tǒng)信息區(qū)的空白區(qū)域中，再調(diào)整指針的指向。這樣避免了FAT表和FRT表始終在一個(gè)區(qū)塊中反復(fù)擦寫，導(dǎo)致該區(qū)塊被過(guò)度使用，縮短存儲(chǔ)器的壽命。文件系統(tǒng)的操作原理框網(wǎng)如圖2所示。

    圖2中，主引導(dǎo)區(qū)程序首先讀出存儲(chǔ)在系統(tǒng)信息區(qū)中FAT表的首地址，找到FAT表和FRT表，再將其復(fù)制到控制終端的內(nèi)存中進(jìn)行操作(內(nèi)存中可以按位修改，避免Flash不能按位修改的問(wèn)題)。由于FAT文件系統(tǒng)是索引的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，在內(nèi)存中修改FAT表和FRT表的同時(shí)，也將兩個(gè)表的改寫情況以鏈?zhǔn)降姆绞骄o跟在Flash存儲(chǔ)器中兩個(gè)表后面的空白區(qū)域里。這樣在任何時(shí)候發(fā)生突然掉電或非法插拔而導(dǎo)致內(nèi)存中FAT表和FRT表丟失的情況下，也能根據(jù)Flash中改寫的內(nèi)容恢復(fù)兩個(gè)表，提高文件系統(tǒng)的可靠性。
    在全部操作完成后，先把內(nèi)存中的FAT表和FRT表寫到存儲(chǔ)器的轉(zhuǎn)存區(qū)塊中，擦除原來(lái)表所在的區(qū)塊，再將轉(zhuǎn)存區(qū)塊中的內(nèi)容復(fù)制到擦除后的原區(qū)塊中。最后，擦除轉(zhuǎn)存區(qū)塊，完成整個(gè)一次操作。
    同時(shí)，為了避免表存儲(chǔ)區(qū)塊的過(guò)度使用，當(dāng)其擦除操作次數(shù)到了一個(gè)閾值(如500000次)時(shí)，先將FAT表和FRT表移動(dòng)到其他空白區(qū)塊，新區(qū)塊作為表的存儲(chǔ)區(qū)塊。再把其中FAT表的首地址，寫到FIash存儲(chǔ)器的系統(tǒng)信息區(qū)的預(yù)留空白區(qū)域中，通過(guò)變化指針，程序在下次操作時(shí)將讀取新地址。原先存放FAT表和FRT表的區(qū)塊被標(biāo)志為無(wú)效，最后通過(guò)Flash的垃圾回收策略，回收此區(qū)塊。這樣可達(dá)到將FAT表和FRT表作為移動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的目的，延長(zhǎng)了使用壽命，如圖3所示。

    上面的設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)器第l區(qū)塊作為信息記錄區(qū)塊。其中的預(yù)留空白空間可以記錄50個(gè)地址，可以滿足FAT表和FRT表移動(dòng)5O次。表存儲(chǔ)區(qū)塊的使片j壽命提高了5O倍。
    經(jīng)過(guò)上面的改進(jìn)，文件系統(tǒng)不僅避免了FAT表和FRT表始終在一個(gè)塊中被過(guò)度使用的現(xiàn)象，也避免了在任何時(shí)候，發(fā)生掉電或非法插拔的情況。仍然可以根據(jù)Flash中修改過(guò)的內(nèi)容重新建立新的FAT表和FRT表，使文件系統(tǒng)不至于遭到致命的破壞。這樣雖然占用了一些Flash資源，但確保了文件系統(tǒng)的安全性和可靠性。通過(guò)這樣的沒(méi)計(jì)，即使出現(xiàn)了操作異常的情況，錯(cuò)誤也只涉及當(dāng)時(shí)被操作的文件，不會(huì)擴(kuò)散給F1ash存儲(chǔ)器中的其他文件，更不會(huì)因此徹底損壞FAT表和FRT表，造成整個(gè)文件系統(tǒng)的癱瘓。

結(jié)語(yǔ)
    根據(jù)嵌入式系統(tǒng)中Flash存儲(chǔ)器的特點(diǎn)沒(méi)計(jì)的FAT文件系統(tǒng)，對(duì)FAT表和FRT表的存儲(chǔ)方式進(jìn)行了改進(jìn)，使其使用壽命和可靠性都有了較大的提高。即使在嵌入式設(shè)備操作異常頻發(fā)的惡劣工作條件下，文件系統(tǒng)也能夠保證安全地工作。此文件系統(tǒng)出于可靠性的考慮，較通常的文件系統(tǒng)只多占用1個(gè)D(塊(轉(zhuǎn)存區(qū)塊)的資源，而對(duì)于嵌入式上使用的NANE)Flash存儲(chǔ)器，這樣的耗費(fèi)完全是可以接受的。
    編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www．mesnet．com．cn。