嵌入式系統(tǒng)中閃存設備I/O軟件的設計與實現(xiàn)

摘 要  閃存作為最常用的嵌入式存儲設備，其管理和訪問技術對整個系統(tǒng)的性能有著較大的影響。目前嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用的閃存管理軟件在可移植性、靈活性方面都存在不足。因此本文在分析了這些管理軟件現(xiàn)存問題的基礎上提出了一種比較合理的閃存I/O軟件分層結構，并通過對軟件的模塊化設計與實現(xiàn)證明了該分層結構在移植性、通用性方面的優(yōu)勢。
關鍵詞  嵌入式系統(tǒng)  閃存  I/O軟件  策略與機制分離

1、引言
    隨著嵌入式系統(tǒng)應用領域的不斷擴大，系統(tǒng)復雜性也在不斷提高。閃存作為廣泛使用的嵌入式存儲設備，其管理技術和訪問方式經歷了一個由開發(fā)人員直接控制到由操作系統(tǒng)的I/O軟件間接控制的過程。然而目前現(xiàn)有的這些閃存管理方案都不能提供一種方便、統(tǒng)一且移植性好的I/O軟件接口，增加了嵌入式產品的研發(fā)周期。因此，本文旨在針對一般的嵌入式應用，設計并實現(xiàn)一種更合理的閃存I/O軟件。該軟件遵循策略與機制分離的原則，采用分層的體系結構，能夠更好得適應底層硬件的變化，可大大提高代碼的可移植性。

2、閃存設備管理技術的現(xiàn)狀及存在的問題
    閃存設備不同于一般的非易失性存儲設備，它有很多特殊的存取特性，其中最主要的是在執(zhí)行寫入操作之前必須先擦除目標單元的內容[1]。因此，閃存設備的管理最基本也應該包含對讀、寫操作以及擦除操作的控制。

    對于那些用于工控領域的嵌入式系統(tǒng)，由于它們沒有配置操作系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的軟件部分僅由主控程序和一些輔助功能例程構成，所以用戶只能通過系統(tǒng)提供的閃存讀寫例程直接對閃存進行訪問，同時擦除操作執(zhí)行的時機也需要由用戶自己控制。這樣一來，訪問閃存的應用程序就必須了解閃存的物理特性，如尺寸、擦除塊的地址、大小和操作時間等，從而增加了開發(fā)難度，降低了代碼的可移植性。此外，由于閃存的無結構性，應用程序還需要自己管理存儲空間，并按照需要構造數(shù)據的存儲格式[2]。

    而對于那些配置了操作系統(tǒng)的復雜嵌入式系統(tǒng)（例如嵌入式Linux系統(tǒng)），閃存設備的管理則主要是通過操作系統(tǒng)中的I/O軟件來實現(xiàn)。該I/O軟件遵循Linux通用設備的管理方法[3]，實現(xiàn)了字符訪問與塊訪問的接口，為應用程序訪問閃存提供了一個通用接口。但問題是，該方案在設計軟件結構時沒有很好地遵循策略與機制分離的原則，從而使得軟件結構的層次不夠分明，模塊化程度不高。

    另外，在嵌入式Linux系統(tǒng)中還有一種與使用閃存相關的技術，即Ramdisk[4]技術。準確地說，該技術不涉及閃存的管理問題，而是一種通過將計算機的 RAM 用作設備來創(chuàng)建和掛裝文件系統(tǒng)的機制。本文在此提及該技術的原因是它能夠幫助只含閃存和RAM的嵌入式系統(tǒng)使用文件系統(tǒng)（主要指ext2fs類型），并且該技術的存在大大降低了嵌入式系統(tǒng)對閃存的訪問操作，從而簡化了系統(tǒng)對閃存的管理。但是，由于Ramdisk技術不能直接在閃存上使用文件系統(tǒng)，使得修改后的數(shù)據不能立刻保存到閃存中，所以在系統(tǒng)異常時容易造成數(shù)據的丟失。

    經過分析，我們發(fā)現(xiàn)上述三種方法在閃存管理方面各有優(yōu)缺點并各有適用范圍。但是隨著JFFS這種閃存專用文件系統(tǒng)的出現(xiàn)和不斷完善以及嵌入式Linux操作系統(tǒng)應用的不斷深入，越來越多的嵌入式系統(tǒng)開始采用第二種方式管理閃存設備。該方案在一定程度上簡化了應用程序對閃存的訪問操作，但由于其不清晰的軟件結構造成了軟件移植性能差的缺點。

3、閃存設備I/O軟件的分層結構
    為了解決上述第二種閃存管理軟件存在的問題，我們在遵循策略與機制分離原則的基礎上，設計出一種更合理的閃存I/O軟件體系結構。具體內容如下（圖1）：

圖1 閃存I/O軟件體系結構

    我們設計的閃存I/O軟件自下而上被劃分為四個層次，分別為硬件驅動層、原始設備層、設備層以及設備節(jié)點。其中硬件驅動層代碼主要負責在系統(tǒng)啟動時驅動閃存硬件。從抽象層次上看，它是通過使用底層的硬件機制，建立了若干基本的使用閃存硬件的策略代碼。具體過程由芯片探測模塊和操作方法模塊來實現(xiàn)的。其中芯片探測模塊主要負責探測CFI接口閃存芯片的器件參數(shù)信息[5]，包括芯片大小、芯片編程電壓、編程時間、擦除時間、擦除區(qū)域分布情況等，并利用這些信息創(chuàng)建出描述芯片物理特性的數(shù)據結構。而操作方法模塊則負責實現(xiàn)最基本的閃存讀、寫及擦除例程。該模塊在芯片探測模塊的基礎上，利用硬件的物理信息就能夠實現(xiàn)特定閃存芯片的管理和訪問方法。

    接下來原始設備層代碼就把閃存存儲區(qū)從軟件上劃分為幾個不同的區(qū)域，并用設備的概念對各分區(qū)進行軟件上的封裝，使每個分區(qū)設備都擁有包含自身信息的數(shù)據結構及設備操作例程。這樣設計的原因，一方面是為了模擬硬盤的物理分區(qū)，方便系統(tǒng)對閃存的管理和使用；另一方面又為上層軟件以字符方式和塊方式訪問閃存提供了基礎。具體過程需要通過原始設備實現(xiàn)模塊、設備分區(qū)實現(xiàn)模塊來實現(xiàn)，而閃存配置管理模塊則為開發(fā)人員根據自身需要任意劃分閃存分區(qū)提供了配置接口，提高了系統(tǒng)的靈活性。需要說明的是這三個模塊的實現(xiàn)具有一定的依賴關系，其中箭頭的起始端模塊要依賴于該箭頭指向的模塊。

     接著閃存設備層代碼在低層軟件分區(qū)的基礎上，用字符設備和塊設備兩種方式來使用閃存原始設備。具體說，該層主要實現(xiàn)字符設備與塊設備的通用接口例程，即文件操作的通用方法，如打開、關閉、定位、讀、寫等。

    最后，閃存設備節(jié)點層是為了方便應用程序以文件形式訪問閃存設備而創(chuàng)建的設備節(jié)點。它的實現(xiàn)并不需要軟件代碼。

4、閃存設備I/O軟件的實現(xiàn)
    嵌入式開發(fā)一般都采用主機與目標板相結合的交叉開發(fā)方式。因此我們的目標板采用的是Motorola公司基于PowerPC860T處理器的一個網絡通信設備開發(fā)板（以下簡稱為NE860）。NE860板上配備有4M NOR型閃存和16M RAM作為存儲器，其中閃存采用的是兩片Intel TE28F160B3T的芯片。主機是一臺運行Redhat 7.2 的PC機，該主機上還安裝有Montavista 嵌入式Linux（以下簡稱MVL）作為實現(xiàn)閃存I/O軟件的載體。具體實現(xiàn)過程如下：

    (1) 硬件驅動層
    由于NOR型閃存芯片的接口不同與一般基于端口的外部設備，不能夠被清晰地劃分為幾個不同用途的端口寄存器；該接口只包括了幾條控制信號線，一組數(shù)據線和一組地址線。這樣一來，閃存的數(shù)據讀寫操作以及命令寫入和狀態(tài)查詢操作都需要在同一組數(shù)據線上進行。同時由于完備的地址線能夠讓系統(tǒng)對芯片內的每個字節(jié)進行尋址，于是閃存的擦除、寫入等基本操作就可以通過向特定地址寫入特定命令序列[6]的方式來實現(xiàn)的。因此我們的系統(tǒng)在遵循各種操作的特定指令序列[6]基礎上，結合特定芯片的物理信息（保存在專用數(shù)據結構struct cfi_private中）實現(xiàn)了閃存的讀、寫、擦除和同步操作。

    （2）原始設備層
原始設備層的主要功能是在硬件基礎上把閃存芯片抽象為設備。為了實現(xiàn)這一目標，系統(tǒng)首先要把所有的閃存芯片抽象為一個閃存主原始設備，然后再根據用戶的分區(qū)劃分要求（通過管理配置模塊獲得）把主原始設備從軟件上劃分為多個分區(qū)設備。這樣一來，分區(qū)設備的大部分參數(shù)信息實際上都來自于主原始設備，并且分區(qū)設備的操作函數(shù)也都來自于主原始設備的操作函數(shù)。而這些操作的實現(xiàn)是通過調用底層的基本操作完成的。

        （3）設備層
    閃存設備層主要用來實現(xiàn)字符設備與塊設備的通用接口例程，其中字符設備的各種操作都比較容易實現(xiàn)。這里我們著重介紹一下塊設備的實現(xiàn)。在Linux中，由于塊設備的讀寫請求都是基于扇區(qū)（512字節(jié)）的，而閃存設備卻不存在物理上的扇區(qū)結構，只有擦出塊的概念。況且在通常情況下擦除塊的尺寸都小于512字節(jié)，這樣一來就存在一個如何把基于扇區(qū)的讀寫操作映射到適當?shù)牟脸龎K上的問題。由于塊設備主要是為了支持在閃存上創(chuàng)建文件系統(tǒng)，所以該問題的解決我們就借用了JFFS文件系統(tǒng)中有關的設計思想（由于篇幅所限這里不詳述）。

5、系統(tǒng)測試及數(shù)據分析
    為了驗證該閃存I/O軟件的可移植性和正確性，我們做如下的分析和測試。第一：通過統(tǒng)計閃存I/O軟件中設備相關代碼及設備無關代碼的比例，說明該實現(xiàn)方案的可移植性；第二：通過對閃存I/O軟件子系統(tǒng)一些典型性能指標的測試，說明該I/O軟件結構設計的正確性和有效性。

    （1）閃存I/O軟件可移植性的驗證：
    從理論上講，只有硬件設備驅動層的一部分代碼是與設備相關的，而原始設備層和設備層代碼都是設備無關的。于是，我們得出如下（表1）的統(tǒng)計結果。在新的I/O軟件實現(xiàn)方案下，閃存設備相關代碼為35KB，占總代碼量的24.1%；設備無關代碼為110KB，占總代碼量的75.9%。由此可見，我們的實現(xiàn)方案具有很好的移植性，能夠有效地提高嵌入式產品的開發(fā)速度和質量。
 

表1 閃存I/O軟件各部分代碼尺寸
 
    （2）閃存I/O軟件有效性的驗證：
    I/O軟件的一個重要性能指標是設備的數(shù)據吞吐率。當應用程序訪問閃存設備文件時，由于每次讀/寫請求的數(shù)據長度不同，使得設備的瞬時吞吐率也不同。由于我們的I/O系統(tǒng)實現(xiàn)了閃存設備的兩種管理方式：字符設備和塊設備，因此下面我們首先針對字符設備方式測試它的讀/寫吞吐率（見圖2和圖3）。
 
圖2 字符設備讀吞吐率

 圖3 字符設備寫吞吐率

    通過分析圖2、圖3的數(shù)據我們發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)從閃存設備中讀取或寫入小塊數(shù)據時，吞吐率會隨著請求數(shù)據長度的增加而增大；但是當請求數(shù)據長度超過某一臨界值時，讀/寫吞吐率近似都穩(wěn)定在一個固定值上。

    為了進一步驗證上述規(guī)律，我們又按照33%的寫請求和67%的讀請求比例，對各種請求數(shù)據長度進行了10次讀/寫混合操作測試，其結果如圖4所示。由此可看出，在請求數(shù)據長度大于512KB之后，讀寫混合的數(shù)據吞吐率穩(wěn)定在3.59MB/S上，這一結果與圖2和圖3所示結果完全一致。并且該吞吐率變化規(guī)律符合常見嵌入式應用中閃存的讀、寫特性，其指標也基本上能夠達到應用需求。
 
圖4 字符設備讀寫平均吞吐率

    對于塊設備方式，我們主要測試基于閃存文件系統(tǒng)的一些典型文件操作性能。其結果如表2所示。該表的第一列代表了執(zhí)行的文件操作，其中create和wirte代表創(chuàng)建文件并向該文件寫入X個字節(jié)數(shù)據的操作；open和read則代表打開文件并從該文件讀出X個字節(jié)數(shù)據的操作。X的大小按照表中第一行數(shù)值的變化而變化。測試數(shù)據表明閃存I/O軟件塊設備功能是正確和有效的。

表2 典型文件操作時間代價

6、結束語
     本文在分析了嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)有的各種閃存管理技術缺點的基礎上，設計并實現(xiàn)了一種分層合理、模塊劃分清晰且移植性好的閃存I/O軟件。系統(tǒng)的測試數(shù)據表明，該I/O軟件能夠實現(xiàn)對閃存設備的基本管理和訪問，可以滿足一般嵌入式系統(tǒng)對數(shù)據存儲器的應用需要。另一方面，由于硬件平臺的資源所限，我們只實現(xiàn)了對NOR型閃存的管理；隨著性能更優(yōu)的NAND型閃存的廣泛使用，我們下一步的工作就是要將上述軟件代碼移植到NAND型閃存器件上，進一步檢驗該軟件的性能。

參考文獻
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snapshot.php?doc_seq=21729，2003-10-29
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