嵌入式系統(tǒng)中基于閃存平臺的存儲管理策略
由于嵌入式系統(tǒng)軟硬件的限制，在應用于通用計算機系統(tǒng)的標準文件系統(tǒng)(例如用于Win32/DOS的FAT和用于Linux的EXT)時，必須進行相應修改以適應嵌入式環(huán)境。在通用的文件系統(tǒng)趨向于簡單化和專業(yè)化的進程中，研究主要集中在以下幾個方面[2，3]：在一個小的高速存儲器上實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)處理速度和有限資源的平衡；實現(xiàn)特定性能，如用于滿足不同的嵌入式應用環(huán)境的數(shù)據(jù)加密和運行的可靠性的功能；提高嵌入式系統(tǒng)的實時性能。事實上，不少嵌入式系統(tǒng)是根據(jù)客戶的特殊要求定做的。針對這種情況，開發(fā)了具有高可靠性的簡化嵌入式閃存文件系統(tǒng)，與復雜的商用文件系統(tǒng)相比，這個嵌入式計算機數(shù)值控制系統(tǒng)更實用。
1 FFS存儲結構和框架
嵌入式系統(tǒng)中閃存有以下特點：(1)閃存以扇區(qū)為單位執(zhí)行，如果修改扇區(qū)內1 B的數(shù)據(jù)，則整個扇區(qū)的數(shù)據(jù)都將被重寫；(2)通常任一扇區(qū)可重寫大約0.1～1萬次；(3)損壞扇區(qū)難免。在計算機數(shù)控系統(tǒng)中應用了閃存特性和局部處理程序訪問特征，在邏輯上非結構化的數(shù)據(jù)流模式被應用到FFS，在物理上存儲空間以扇區(qū)為基礎分成不同的塊[4]。閃存文件系統(tǒng)（FFS）不僅提供了根據(jù)文件名查找和訪問文件，使得有限的存儲空間得到合理和充分利用，而且還提供基于存儲內容的擦寫策略損壞扇區(qū)的適應性管理，因此，在某種程度上FFS的可靠性有所提高。
為了使閃存文件系統(tǒng)在不同的平臺上更易于進行維護、升級和移植，基于Madnick分層模型設計了一個文件系統(tǒng)分層結構。圖1所示的文件系統(tǒng)包括2個主要部分：文件管理單元和存儲空間管理單元。較低層為上層部分提供服務。每一層僅涉及接口，而不是更低或上層內部結構。
2 存儲空間管理
作為嵌入式系統(tǒng)的一部分，閃存存儲管理的主要功能包括提高使用效率、加快執(zhí)行速度和根據(jù)其物理特性使用特殊算法管理閃存內存單元的使用頻率[5]。存儲空間管理單元在邏輯上由3個層次組成：文件物理層、存儲設備分配層和閃存驅動層[6]。閃存驅動層為上層提供最基本的驅動程序，如下：
[!--empirenews.page--]2.1 存儲扇區(qū)管理
本文開發(fā)的FFS存儲結構類似于MS-DOS的FAT，是FAT系統(tǒng)的修改。圖2顯示了一系列模式的基本存儲結構。
系統(tǒng)記錄區(qū)（SRA）存儲介質信息和最重要的文件系統(tǒng)信息，如閃存類型、容量、扇區(qū)數(shù)和扇區(qū)利用現(xiàn)狀。這個扇區(qū)的利用狀況包括文件數(shù)、未使用的扇區(qū)數(shù)、損壞扇區(qū)數(shù)、第一個和最后一個未使用的扇區(qū)編號。圖3顯示了在SRA上的內存分配。文件信息區(qū)域（FIA）用于存儲文件的詳細信息，如文件名、文件類型、文件大小、文件屬性和閃存鏈表項。程序數(shù)據(jù)區(qū)（PDA）用于存儲程序數(shù)據(jù)。在圖2陰影部分是每個區(qū)域損壞的扇區(qū)。如果損壞的扇區(qū)數(shù)達到給定界限值，警報將自動啟動。圖3為SRA上的內存分配情況，不同部分存儲特定的記錄信息：1為閃存內存類型；2為閃存內存容量；3為扇區(qū)數(shù)；4為文件數(shù)；5為未使用扇區(qū)數(shù)；6為損壞的扇區(qū)數(shù)；7為最后一次寫入FIA的扇區(qū)組數(shù)；8為第一個未使用扇區(qū)號；9為最后未使用扇區(qū)號；10為系統(tǒng)記錄控制的關鍵字；11為下一個要寫入的扇區(qū)號。
不同的系統(tǒng)有不同的存儲空間管理模式，最簡單的可能是一個命令模式，但它并不適用于某些特殊應用。例如，在計算機數(shù)控系統(tǒng)中使用命令模式，用戶不方便編輯、修改或者刪除由各種機器處理指令組成的G代碼程序。另一個常用的方式是靜態(tài)存儲模式，這意味著每一個文件分配固定的扇區(qū)數(shù)。在這種情況下，如果文件大小超過了給定的空間，雖然仍有未使用的扇區(qū)，但寫操作卻不能成功完成。同樣，小文件顯然將導致存儲空間浪費。此外，由于過度頻繁地訪問同一個文件，與其他的扇區(qū)相比這樣的扇區(qū)更易于損壞。因此，靜態(tài)存儲模式不是一個很好的選擇。
為了克服這些問題，提出了一個動態(tài)存儲空間管理模式，采用平均擦除和寫入策略。先入先出（FIFO）的引入，保證了閃存存儲扇區(qū)的平均使用。當系統(tǒng)第一次加電，未使用的扇區(qū)都初始化為一個雙鏈表。此后，這些扇區(qū)應該從鏈表頭節(jié)點轉到尾節(jié)點。這樣，在訪問每個扇區(qū)的頻率將趨于平等，每個扇區(qū)將不會過度頻繁讀取/寫入。假設鏈表有N個節(jié)點，每個扇區(qū)訪問的概率只有1/N，因此，閃存的使用壽命可以明顯延長。
相對而言，基于MS-DOS的FAT系統(tǒng)只為數(shù)據(jù)區(qū)提供損害管理，卻忽視了文件系統(tǒng)結構區(qū)域。相對地，SRA作為FFS結構區(qū)域，由于存儲了系統(tǒng)關鍵信息而成為最重要的區(qū)域。而且，由于頻繁訪問， SRA往往更易損壞。因此，這一區(qū)域應當運用一種安全策略。根據(jù)在SRA、FIA和PDA存放的數(shù)據(jù)的重要性不同，不同存儲區(qū)域應當分配不同的可靠性要求。因此，可以充分利用閃存存儲能力，寫校驗時間將會減少，從而寫速度將有所改善。
2.2 SRA的平均擦除和寫入管理
為了實現(xiàn)對System record area(SRA)平均擦除和寫管理，避免由系統(tǒng)記錄扇區(qū)物理損傷而導致整體系統(tǒng)的故障，SRA被平均劃分成3個小組。3組依次進行寫操作，可以為系統(tǒng)記錄存儲安全提供一個冗余策略，從而提高系統(tǒng)的可靠性，延長系統(tǒng)壽命。這對于每次在系統(tǒng)通電之后獲取SRA代碼值是必要的。由系統(tǒng)記錄關鍵字（SysKeyword）控制的值，標記著系統(tǒng)關閉前最后一次寫操作的系統(tǒng)扇區(qū)的執(zhí)行記錄，它顯示為：
在系統(tǒng)初始化時，SRA中每組的相應系統(tǒng)變量關鍵字(1～3)初始化為0。在后續(xù)操作中，各組關鍵字(SysKeyword)的真實值應該更新，在系統(tǒng)每次啟動時分別從SRA讀出。因此，SysCodeValue的值可根據(jù)式(1)得到。執(zhí)行最后一次寫操作的組號可以通過調用函數(shù)GetLastGroup-Num()獲得。一旦SRA的記錄數(shù)據(jù)被更改，系統(tǒng)關鍵字應該相應更新。然后包括SysKeyword的記錄數(shù)據(jù)，應寫入到根據(jù)以下方法獲得的相應扇區(qū)。
下一次將被寫入的該系統(tǒng)記錄扇區(qū)的組號與轉移的參量LastGroupNum可以通過調用函數(shù)GetNextGroupNum(Uchar LastGroupNum)共同獲得。SysCodeValue的值將更新如下：
SysCodeValue=SysCodeValue∧2NextGroupNum-1 (2)
[!--empirenews.page--]通過組合式(1)和式(2)可以得到每組SysKeyword的值，因此，可以迅速查出最新和最舊的記錄。該方法是一種快速計算和跟蹤策略，這樣，根據(jù)得到的組號和SysKeyword的值，寫操作可以順利執(zhí)行。
該系統(tǒng)記錄扇區(qū)的詳細參數(shù)值如表1所示。
3 文件管理
文件管理層（FML）封裝了整個文件系統(tǒng)，并且為操作系統(tǒng)和上層的應用程序提供統(tǒng)一標準的程序接口(APIs)。用戶操作請求將被APIs移交到文件的邏輯層（FLL），然后將請求發(fā)送到文件的物理層（FPL）。
3.1 文件編輯
文件系統(tǒng)應提供友好的用戶界面，用戶可以操作文件，無需考慮文件的結構或物理位置。圖4顯示編輯一個存儲在閃存的文件流程圖。首先要遍歷文件信息鏈表，根據(jù)文件名來查找存儲此文件信息的節(jié)點。因此，該文件存儲空間的第一個扇區(qū)可獲取，后續(xù)扇區(qū)依次獲取。然后，每個扇區(qū)將逐個讀取，數(shù)據(jù)將被寫入緩沖區(qū)。通過建立一個雙鏈表顯示數(shù)據(jù)，然后通過人機界面進行編輯操作。最后，將修改后的數(shù)據(jù)寫回到閃存，文件信息和系統(tǒng)記錄將自動更新。
3.2 文件存儲和文件刪除
連續(xù)的文件存儲結構模式(如圖5中的文件N005和N011)在存儲前，文件通常被劃分成為大小相等的多個數(shù)據(jù)塊（除最后一個塊的大小可能小于其他塊）。塊的數(shù)量是由文件和塊大小決定，而塊的大小與存儲介質有關。在本文中，閃存的存儲單元(即扇區(qū))為256 B，因此，該塊的大小建議不超過256 B。在這里，把文件劃分為252 B大小的塊，每個數(shù)據(jù)塊占用一個扇區(qū)的存儲空間。因此，塊的數(shù)量(即被占用的扇區(qū)數(shù))可以計算出，這是最低整數(shù)不少于文件字節(jié)大小除以塊字節(jié)大小所得的商數(shù)。然后未使用的扇區(qū)鏈表的頭節(jié)點作為這個文件存儲空間的第一個扇區(qū)。緊隨第一個扇區(qū)，很多未使用的扇區(qū)被取出后，整個文件的存儲空間可用。因此，該文件成功保存。
[!--empirenews.page--] 閃存的地址空間不允許隨意被刪除，刪除一個文件時必須把扇區(qū)作為一個刪除單元。因此，刪除一個文件，要使用與編輯操作相同的手段獲得該文件節(jié)點的存儲信息，這樣文件的信息可以使用。有了文件信息，文件的存儲空間的第一個扇區(qū)可以得到，其他的也可以依次得到。然后未使用的扇區(qū)鏈表上的扇區(qū)可以通過調用函數(shù)FreeSect（Ulong SectNum）釋放第一個扇區(qū)。最后，根據(jù)雙鏈表的原則，這個節(jié)點將被刪除。
圖5為一個文件創(chuàng)建和刪除過程的示例。要創(chuàng)建一個文件(文件名為N005，大小為912 B，第一個扇區(qū)是5號)，未使用扇區(qū)鏈表的頭節(jié)點作為這個文件的存儲空間的第一個扇區(qū)（扇區(qū)號為5）。同時，在文件信息鏈表的尾節(jié)點寫文件信息。這個文件的存儲扇區(qū)數(shù)可以計算出來，結果被證明是4。然后，從未使用的扇區(qū)鏈表頭部，4個扇區(qū)依次用于存儲文件數(shù)據(jù)。從而，文件信息和系統(tǒng)記錄更新后，文件的創(chuàng)建操作完成。
要刪除文件(文件名是N011，文件大小為2 026 B，第一個扇區(qū)編號為6)，根據(jù)文件名N011，通過遍歷文件信息鏈表獲取文件信息節(jié)點，根據(jù)存儲在此節(jié)點文件信息，可以獲得文件大小和存儲空間項（即文件的第一個扇區(qū)）。扇區(qū)數(shù)目也可以計算出來。由于指針索引指向下一個節(jié)點，每個扇區(qū)被釋放，并連接到未使用扇區(qū)鏈表尾節(jié)點。最后的操作是從文件信息鏈表刪除這個節(jié)點。與此同時，文件信息和系統(tǒng)的記錄應該更新。
通過在一個嵌入式計算機數(shù)控系統(tǒng)上的有效且成功應用充分展示了FFS的良好性能。這個FFS經(jīng)過略微的修改即可在不同的嵌入式平臺上進行移植，且具有一定的普遍性。
為了提高存儲和管理嵌入式平臺上文件數(shù)據(jù)的性能，本文提出了一種新的應用于閃存文件系統(tǒng)（FFS）的策略，其特點可以描述如下：
(1)減少寫周期提高寫入速度。
(2)采用動態(tài)分配存儲空間，提高利用效率和延長閃存的使用壽命。
(3)相應的文件被刪除后，存儲扇區(qū)可以很快被釋放，并可以連接到未使用的扇區(qū)鏈表。
(4)當損壞扇區(qū)的數(shù)量到達設置值時自動報警，確保系統(tǒng)處于良好狀態(tài)。
(5)FAT分配的內存空間存儲指針以數(shù)組的形式作為全局變量。
(6)為延長內核扇區(qū)壽命確保系統(tǒng)啟動可靠服務，采用冗余設計、快速計算和追蹤策略。
因此，本文中的FFS，特別是在可靠性、存儲效率和良好的可移植性方面已獲得明顯的成效。
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