NAND Flash上均勻損耗與掉電恢復(fù)在線測試
關(guān)鍵詞 NAND Flash 均勻損耗 軟件測試 YAFFS
引 言
隨著嵌入式技術(shù)在各種電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲和管理已經(jīng)成為一個重要的研究課題。Flash存儲器具有速度快、容量大、成本低等很多優(yōu)點，因此在嵌入式系統(tǒng)中被廣泛用作外存儲器件。嵌入式系統(tǒng)中的Flash存儲器需要有自己的文件系統(tǒng)，而不能直接移植通用文件系統(tǒng)，主要有兩個原因：第一，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容易造成災(zāi)難性的影響，通用文件系統(tǒng)對于可靠性的設(shè)計考慮不足；第二，通用文件系統(tǒng)的記錄信息(如FAT表)需要被多次修改，而記錄信息放在Flash存儲器固定的區(qū)塊中，將導(dǎo)致該區(qū)塊的頻繁操作，從而縮短Flash器的使用壽命。這樣就對軟件技術(shù)提出了更高的要求。
為了管理復(fù)雜的存儲硬件，同時提供可靠高效的存儲環(huán)境，出現(xiàn)了基于NAND和NOR的文件系統(tǒng)。目前主流的FFS(Flash File System)有如下3種：TrueFFS、JFFSx以及YAFFS。YAFFS(Yet Another Flash File System)是專門為NAND Flash設(shè)計的嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲設(shè)備。它是日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，提供了損耗平衡和掉電保護等機制，可以有效地減小上述原因?qū)ξ募到y(tǒng)一致性和完整性的影響。本文正是基于這樣的前提，介紹了關(guān)于嵌入式Y(jié)AFFS文件系統(tǒng)測試方案，針對文件系統(tǒng)中損耗平衡和掉電保護兩個重要的系統(tǒng)性能指標進行實時在線的測試與分析，不同的應(yīng)用環(huán)境使用該文件系統(tǒng)應(yīng)進行相應(yīng)的修改。
1 YAFFS文件系統(tǒng)概述
YAFFS文件系統(tǒng)類似于JFFS／JFFS2文件系統(tǒng)。不同的是，JFFSl／2文件系統(tǒng)最初是針對NOR Flash的應(yīng)用場合設(shè)汁的，而NOR Flash和NAND Flash本質(zhì)上有較大的區(qū)別。盡管JFFSl／2文件系統(tǒng)也能應(yīng)用于NANDFlash，但由于它在內(nèi)存占用和啟動時間方面針對NOR的特性做了一些取舍，所以對NAND來說通常并不是最優(yōu)的方案。
1．1 NOR和NAND的比較
基本上NOR比較適合存儲程序代碼，其容量一般較小(比如小于32 MB)，且價格較高；而NAND容量可達lGB以上，價格也相對便宜，適合存儲數(shù)據(jù)。一般來說，128 MB以下容量NAND Flash芯片的一頁大小為512字節(jié)，用來存放數(shù)據(jù)，每一頁還有16字節(jié)的備用空間(SpareData)，充當OOB(Out Of Band)區(qū)域，用來存儲ECC(Error Correction Codc)校驗／壞塊標志等信息；再由若干頁組成一個塊，通常一塊為32頁(16 KB)。與NOR相比，NAND不是完全可靠的。每塊芯片出廠時允許有一定比例的壞塊存在，對數(shù)據(jù)的存取不是使用線性地址映射，而是通過寄存器的操作串行存取數(shù)據(jù)。
1．2 YAFFs數(shù)據(jù)在NAND上的存儲方式
YAFFS根據(jù)NAND閃存以頁為單位存取的特點，將文件組織成固定大小的數(shù)據(jù)段。利用NAND閃存提供的每頁16字節(jié)的備用空間來存放ECC檢驗信息和文件系統(tǒng)的組織信息，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)錯誤檢測和壞塊處理，而且能夠提高文件系統(tǒng)的加載速度。
YAFFS將文件組織成固定大小(512字節(jié))的數(shù)據(jù)段。每個文件都有一個頁面專門存放文件頭，文件頭保存了文件的模式、所有者id、組id、長度、文件名等信息。為了提高文件數(shù)據(jù)塊的查找速度，文件的數(shù)據(jù)段組織成樹形結(jié)構(gòu)。YAFFS在文件進行改寫時，總是先寫入新的數(shù)據(jù)塊，然后將舊的數(shù)據(jù)塊從文件中刪除。YAFFS使用存放在頁面?zhèn)溆每臻g中的ECC進行錯誤檢測，出現(xiàn)錯誤后會進行一定次數(shù)的重試；多次重試失敗后，該頁面就被停止使用。以(512+16)字節(jié)為一頁的NAND Flash芯片為例，YAFFS文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲布局如圖1所示。
2 YAFFS文件系統(tǒng)測
2．1 測試總體說明
YAFFS文件系統(tǒng)是開源的，測試基于白盒測試。在所關(guān)心的代碼段中，插入測試代碼。為保證測試代碼不對原代碼造成影響，測試后可立即恢復(fù)為原代碼，所有測試代碼(包括測試用變量和函數(shù))均嵌入到#define FS_TEST宏定義中。
2.2 模擬文件的生成
嵌入式環(huán)境下對文件系統(tǒng)進行大量、長時間的測試存在很多問題，不易實現(xiàn)，對測試代碼的插入和數(shù)據(jù)的監(jiān)視也比較困難。這里采用PC模擬測試的形式，用文件的讀／寫模擬NAND器件，并在PC上對模擬文件監(jiān)視，以達到測試的目的。代碼定義了各種NAND器件的類型，以適應(yīng)不同的器件。模擬器件時，也用這些信息生成相應(yīng)的模擬文件。
指明要模擬的NAND器件的大小(FILE_SIZE_IN_MEG)和結(jié)構(gòu)(BLOCKS_PER_MEG，BLOCK_SIZE)后，按照相應(yīng)的大小和結(jié)構(gòu)生成文件g_filedisk。
3 均勻損耗測試
3．1 測試目的
NAND Flash器件每個Block區(qū)塊的擦寫次數(shù)有限。在需要實時記錄的應(yīng)用環(huán)境中，為保證器件壽命，應(yīng)盡量使每個區(qū)塊的擦寫次數(shù)相對平均．以最大程度地延長NAND Flash器件的使用壽命。此項測試記錄每個Block區(qū)塊的擦寫次數(shù)，以測試YAFFS文件系統(tǒng)在均勻損耗方面的性能。
3．2 測試方法
測試代碼在器件模擬文件的每一頁的Spare區(qū)后，增加了字節(jié)，用于記錄該頁的擦寫次數(shù)。由于擦寫是以Block為單位進行的，因此每個Block各頁的擦寫記錄數(shù)是相同的。在以后的測試中,可以只使用第一頁的該Block空間記錄擦寫次數(shù)，其他空間作其他測試用。
測試代碼插入到CheckInit()和yaffs_FEEraseBlockInNAND()(yaffs_fileem．cpp)中，在初始化器件模擬文件時,生成(新模擬文件)或讀取(己有模擬文件)擦寫次數(shù)；并在程序執(zhí)行擦寫函數(shù)時，對擦寫次數(shù)進行累加和保存。
測試程序甩到的測試變量；記錄擦寫次數(shù)的數(shù)組-g_ersNumArray[FILE_SIZE_IN_MEG*BLOCKS_PER_MEG]、指向擦寫的最大值-g_pErsMax和指向擦寫的最小值-g_pErsMin。
測試程序用WireOut0．log和WireOutl．log兩個文件記錄每個Block區(qū)塊的擦寫次數(shù)，查看這兩個文件，可以看到每個區(qū)塊的擦寫次數(shù)以及最大／最小值。兩個文件是等同的，因測試時間比較長，取兩個文件以避免系統(tǒng)在寫記錄文件時出錯，而丟失所有的記錄；兩個文件輪流寫，保證至少有一個文件的內(nèi)容是系統(tǒng)出錯前最近的記錄。
3.3 測試結(jié)果
YAFFS文件系統(tǒng)按“順序”使用未分配的空間用于新的寫入操作，并以同樣“順序”擦除廢棄的區(qū)塊。寫入和擦除操作，均按順序在未分配的空間或廢棄的空間中進行。當系統(tǒng)未用空間小于某一預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)將對存在廢棄頁的區(qū)塊進行回收。這種寫入和擦除策略在一定程度上保證了損耗的均勻性。
這種機制雖然在一定程度上滿足均勻損耗的要求，但還是存在問題，并不適用于所有的嵌入式應(yīng)用環(huán)境。假設(shè)在一塊16MB的NAND器件上，有10MB空間用來存放相對固定、不經(jīng)常修改的數(shù)據(jù)文件，則經(jīng)常修改的文件只能在剩下的6 MB空間上重復(fù)擦寫，在這6 MB空間上做到“均勻損耗”。對整個器件來說，系統(tǒng)并沒有合適的搬移策略對固定文件進行搬移，整個器件做不到均勻損耗。在實時記錄信息量比較大的應(yīng)用環(huán)境中，應(yīng)編寫相應(yīng)的搬移策略函數(shù)，對固定文件進行定期的搬移，以確保整個NAND器件的均勻損耗。
4 掉電恢復(fù)性能測試
4.1 測試目的
文件系統(tǒng)應(yīng)能保證在系統(tǒng)突然斷電的情況下，最大限度地恢復(fù)(保護)有用數(shù)據(jù)。如果在修改一個文件時掉電，那么掉電后的文件保護方式根據(jù)實際情況可分為3種：
①用舊文件完全代替新寫文件，新寫文件(沒寫完)被忽略。這種保護方式應(yīng)用比較多，比如在更新設(shè)置時掉電，使用掉電前的設(shè)置，用戶是可以接受的。
②用新文件完全代替舊文件(新文件寫了多少就保留多少)。這種保護方式適合應(yīng)用于文本的情況，比如短信。新短信雖然不完整，但根據(jù)情況用戶可以得到部分信息，如果發(fā)送方信息完整或?qū)儆诳刹聹y的情況，則可以要求發(fā)送方重發(fā)。
③己寫部分用新文件，未寫部分用老文件，所謂“新加舊”的保護方式。這種保護方式可以應(yīng)用在動態(tài)更新的文件上。但是，對于使用偏移量進行的文件讀寫操作，采用這種保護方式，會產(chǎn)生亂碼。
4．2 測試方法
測試代碼隨機產(chǎn)生掉電消息，模擬一次掉電行為。測試代碼插入到y(tǒng)affs_FEWriteChunkToNAND()(yaffs_fileem．cpp)中，在寫Data區(qū)和Spare區(qū)時分別產(chǎn)生隨機掉電位置，模擬掉電行為。掉電后，程序重新掛接文件系統(tǒng)，并讀取掉電時正在更新的文件，與原文件相比給出判定結(jié)果。
程序用到的測試變量：掉電類別-g_tstPowerOff，1為Data區(qū)掉電，2為Spare區(qū)掉電。在完全模擬時，掉電類別隨機產(chǎn)生。程序用TestLog．log記錄掉電后判定的結(jié)果。TestLog．log為增加方式打開，新記錄寫在最后，不影響原有的記錄結(jié)果。
4．3 測試手段
模擬一次“掉電”行為，需要進行特殊的處理。實際的掉電行為在電源重新供給后，整個系統(tǒng)會重新開始，包括重薪啟動文件系統(tǒng)。掉電前系統(tǒng)的所有參數(shù)、系統(tǒng)堆棧以及現(xiàn)場均失效。在測試中模擬掉電行為有一定的難度，直接斷電既不安全，也不現(xiàn)實，可用exit()函數(shù)中止程序來模擬。在執(zhí)行寫操作時，寫入隨機的字節(jié)數(shù)后，用exit()函數(shù)立即中止程序的運行；再重新啟動程序，讀取掉電時寫入的文件，分析文件以檢查文件系統(tǒng)新的掉電保護功能。
上述測試手段不適用于自動測試，也不可能手工進行大量的測試。筆者在該項測試中，巧妙地使用了try{}和catch(}結(jié)構(gòu)，既模擬了實際的掉電行為，又保證了自動測試的順利進行。
模擬掉電行為的核心代碼如下：
4．4 測試結(jié)果
YAFFS-NAND文件系統(tǒng)，只提供上述的②和③兩種文件保護方式。在打開文件時，若以“截短為0”的方式打開已有文件，則保護方式為第②種，使用新文件完全代替舊文件。若以修改的方式打開己有文件，則保護方式為第③種，使用新加舊的保護方式。
需要注意的是：在數(shù)據(jù)區(qū)掉電的情況下，以上兩種保護方式完好，測試通過。但在Spare區(qū)掉電的情況下，文件系統(tǒng)有很大的概率讀不出掉電時的文件，幾乎不能正常使用。在實際掉電情況中，按Data區(qū)和Spare區(qū)的比例關(guān)系(512：16)，寫操作掉電時發(fā)生在Spare區(qū)的概率為3.03％，不可接受。另外，文件系統(tǒng)不提供舊文件的保護方式，對于這類應(yīng)用(還是比較多的)需要另外實現(xiàn)。
4.5 對Yaffs-NAND在掉電保護方面的改進
4.5.1 增加保護方式
Yaffs-NAND文件系統(tǒng)在原理上決定了只能有上述的②和③兩種文件保護方式。要提供第一種保護方式，需要對文件系統(tǒng)進行擴展，增加2個函數(shù)和2個結(jié)構(gòu)體：
EOnlyOld、EOnlyNew、ENewOld和EDefault分別表示3種不同的保護方式和默認保護方式(由原文件系統(tǒng)提供)。SProInfo結(jié)構(gòu)不僅記錄保護方式，還記錄了該文件名，供關(guān)閉文件時使用。
yaffs_openEx()根據(jù)傳入的保護方式，修改打開文件的標志，以顯式地設(shè)置原有的②、③兩種保護方式。當保護方式為EOnIyold時，yaffs—openEx()將打開另一個新的臨時文件，并返回給用戶使用。傳入的SProlnfo結(jié)構(gòu)的指針，將帶回文件名和文件句柄，供關(guān)閉文件時用。yaffs_closeEx()函數(shù)在關(guān)閉文件時，檢查文件的保護方式。若為第②、③種情況，則直接關(guān)閉；若為第一種情況，則先刪除原文件，再把新文件重新命名，以達到文件保護的目的。
使用方法如下：
①使用默認方式，則與原文件系統(tǒng)使用方法相同。新參數(shù)默認為NULL，可以直接兼容己有代碼。
②使用擴展方式，則要先生成一個SProInfo的對象，但將其指針傳給yafffs_openEx()。關(guān)閉時同樣要將其指針傳給yaffs_closeEx()。例如：
對進行上述改進后的擴展方法進行測試，結(jié)果同改進前；但增加了只保留舊文件的第一種保護方式，程序運行良好。
4.5.2 Spare區(qū)掉電不能恢復(fù)的修改
對源代碼進行深入研究，發(fā)現(xiàn)在Spare區(qū)掉電不能恢復(fù)的問題出在Spare區(qū)的Tag信息自檢驗部分。yaffs_GetTagsFromSpare()函數(shù)從Spare區(qū)讀取Tag信息的過程中，調(diào)用yaffs_CheckECCOnTags()檢驗Tag信息。但是，原代碼對ECC校驗錯誤的Spare區(qū)，只是將錯誤修正，并返回到}層函數(shù)；上層函數(shù)僅記錄’Fag出錯次數(shù)，并不做處理。因此，在SpareⅨ掉電時．會出現(xiàn)不可恢復(fù)的錯誤。
修改yaffs_GetTagsFromSpare()函數(shù)的返回類型為int，以返回Spare區(qū)的ECC校驗錯誤信息。當yaffs_CheckECCOnTags()返回Tag校驗錯誤時，yaffs_Get-TagsFromSpare()函數(shù)將此錯誤返回。在調(diào)用此函數(shù)的地方，進行相應(yīng)的修改：當Spare區(qū)ECC出錯時，調(diào)用yaffs_DeleteChunk()，刪除該頁。因掉電引發(fā)的Spare錯誤不可恢復(fù)的問題，經(jīng)修改后運行良好。
結(jié)語
YAFFS文件系統(tǒng)是專門為NAND閃存而設(shè)計的，它使得價格低廉的NAND閃存芯片具有了高效性和健壯性；但YAFFS文件系統(tǒng)在性能上還存在著問題，并不完全適用于對性能苛求的嵌入式系統(tǒng)。本文針對YAFFS文件系統(tǒng)中均勻損耗和掉電恢復(fù)兩個重要指標進行測試，給出了測試結(jié)果，并針對測試過程中存在的部分問題提出了改進方案。實際測試表明，改進后系統(tǒng)性能有明顯改善，能適應(yīng)更多的應(yīng)用環(huán)境。
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