基于VDK的嵌入式文件系統(tǒng)實現(xiàn)

摘要 針對實驗室開發(fā)的基于Nand Flash的高速、大容量存儲系統(tǒng)，闡述了利用BF537及其集成開發(fā)環(huán)境Visual DSP++的內(nèi)核VDK，實現(xiàn)嵌入式文件系統(tǒng)的具體方案。同時簡要介紹了通過虛擬地址映射和壞塊標記的方法，來管理Nand Flash芯片中的壞塊，以此實現(xiàn)文件系統(tǒng)的地址傳輸。
關(guān)鍵詞 VDK；BF537；嵌入式文件系統(tǒng)；Nand Flash

    Blackfin(BF)系列DSP是ADI公司和Intel公司共同開發(fā)的DSP，采用了一種新型結(jié)構(gòu)MSA。BF系列中的BF537具有較塊的運算速度和豐富的接口資源，長于控制和視頻圖像處理，且其帶有符合IEEE 802．3規(guī)范的以太網(wǎng)控制器，如果在BF537中移植帶有LwIP協(xié)議棧的VDK工程，并利用網(wǎng)絡芯片對537進行擴展，就能便捷地實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與因特網(wǎng)的通信。
    由于低功耗、數(shù)據(jù)非易失、存儲速度快、存儲密度大等優(yōu)點，Nand Flash在閃存行列中脫穎而出，常被用作大容量數(shù)據(jù)的存儲媒質(zhì)。隨著存儲系統(tǒng)容量和存取速度的不斷提升，構(gòu)建嵌入式文件系統(tǒng)來實現(xiàn)存儲系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的管理。

1 VDK與嵌入式文件系統(tǒng)
1．1 VDK簡介
    VDK(Visual DSP Kernel)是ADI公司針對Blackfin系列DSP處理器特別開發(fā)的“小而健壯”的輕量級內(nèi)核，特別適合編寫需要精確控制的代碼，是一個提供了豐富的API函數(shù)庫，同時支持輕量級IP協(xié)議棧(LwIP)的RTOS。
    VDK功能全面，具有線程、信號量、事件與事件位、消息、關(guān)鍵域與禁止調(diào)度域等特征。內(nèi)核通過協(xié)同多任務和時間片輪轉(zhuǎn)的方式來管理和協(xié)調(diào)線程，這種方式稱為“調(diào)度”。VDK運用程序可分為兩部分：線程域和中斷域。線程域中的調(diào)度稱為“軟件調(diào)度”，由內(nèi)核完成；中斷域中的調(diào)度稱為“硬件調(diào)度”，由中斷控制器完成。后者的優(yōu)先級高于前者，而設(shè)備驅(qū)動是兩者溝通的橋梁。
    然而VDK只是一個“裸核”，不提供文件系統(tǒng)的支持，如果需要基于VDK實現(xiàn)文件系統(tǒng)，用戶必須自己編寫各種接口函數(shù)的代碼。
1．2 基于Nand Flash的嵌入式文件系統(tǒng)簡介
    Flash文件系統(tǒng)主要有開源的和商業(yè)的兩類。開源的Flash文件系統(tǒng)，有JFFS、JFFS2、YAFS等。JFFS采用高效的日志文件系統(tǒng)，具有掉電安全、臟塊回收、磨損均衡等特性，主要用于嵌入式Linux。Red Hat公司后來在JFFS基礎(chǔ)上進行升級，發(fā)展出JSSF2。JSSF2采用哈希表的日志節(jié)點結(jié)構(gòu)，加快了節(jié)點的操作速度。YAFFS也是基于日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，相比JFFS，YAFFS減少了一些功能，但降低了內(nèi)存占用率，提高了訪問速度。
    商業(yè)Flash文件系統(tǒng)主要有TrueFFS和TransactionFFS。前者用于仿真硬盤驅(qū)動，利用冗余數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保證可靠的數(shù)據(jù)操作，并能均勻使用Flash。后者使用事務記錄方案，運用程序可通過FAL訪問文件系統(tǒng)。

2 嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺
    基于BF537的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的框圖如圖1所示。

    LAN8187用于對BF537的以太網(wǎng)控制器進行擴展，使其能夠通過以太網(wǎng)絡與上位機進行通信。
    BF537外掛了兩片Nor Flash芯片作為其異步外存。程序Nor Flash用于存儲運行程序代碼，數(shù)據(jù)Flash主要用于存儲文件系統(tǒng)運行所需的數(shù)據(jù)，例如文件目錄表、地址映射表等。XC4VFX100用于處理數(shù)據(jù)流的速度、解析和轉(zhuǎn)發(fā)BF537的命令，配合BF537對存儲陣列進行管理。

3 嵌入式文件系統(tǒng)設(shè)計
3．1 文件目錄表
    考慮到存儲系統(tǒng)的存儲速度較快，且文件數(shù)目較少的特點，文件目錄表采用線性表的方式。格式如表1所示，其中的“更新次數(shù)”用于記錄存放文件目錄表數(shù)據(jù)Nor Flash的編程次數(shù)。

    文件系統(tǒng)采用Nor Flash中的一個64 kB的數(shù)據(jù)塊實時記錄文件目錄表。出于磨損均衡的考慮，如果數(shù)據(jù)塊的編程次數(shù)超過規(guī)定的閾值，文件系統(tǒng)將自動跳到Nor Flash的下一個64 kB的數(shù)據(jù)塊記錄文件目錄表。[!--empirenews.page--]
    文件索引采用類似日志記錄的方式，每個文件索引作為文件目錄表的一個節(jié)點。文件系統(tǒng)進行文件操作時，可以根據(jù)具體操作要求，實時搜索、增刪和標記索引節(jié)點，文件索引格式如表2所示。

    文件存儲時，主線程遍歷文件目錄表的節(jié)點信息，計算出當前存儲的起始塊地址，然后向存儲陣列發(fā)出開始存儲的命令，隨后將控制權(quán)交給中斷域。一旦接收到存儲陣列的地址請求信號，運用程序進入中斷，在中斷域中向文件存儲子線程發(fā)出信號，以發(fā)送當前地址信息，如此反復。如果主線程接收到用戶停止存儲的命令，將立即關(guān)閉中斷，取得控制權(quán)，接著將最新的文件信息更新到文件目錄表的最后位置，作為最新的節(jié)點。
    文件下載時，主線程遍歷文件目錄表，找到相應的文件索引信息，然后發(fā)送消息給文件下載子線程，開始對指定文件進行下載。如果需要刪除某個文件，在遍歷目錄表找到指定文件的信息后，先發(fā)送地址將存儲陣列相應數(shù)據(jù)塊的信息擦除，然后將該文件索引信息的“文件標記”置為“刪除”標記。
3．2 地址映射表
    地址映射是文件系統(tǒng)的核心。文件系統(tǒng)將整個存儲陣列作為一個獨立的地址空間，統(tǒng)一編址。通過定義一個地址緩沖區(qū)，將其相應的偏移地址作為Nand Flash的物理地址，并根據(jù)壞塊信息對緩沖區(qū)相應偏移地址的單元做壞塊或有效塊的標記。文件系統(tǒng)在實際操作中，可“查詢”地址緩沖區(qū)，如果地址緩沖區(qū)某偏移地址為壞塊標記，則拋棄，繼續(xù)查詢下一個偏移地址的標記，如為有效塊標記，則將此偏移地址作為存儲陣列的有效物理塊地址。
    為提高存儲效率和方便管理，地址緩沖區(qū)的內(nèi)容會被記錄在數(shù)據(jù)Nor Flash中，作為一個“地址映射表”。地址映射表體積不大，燒寫到Nor Flash時，可將燒寫代碼推入到VDK的“關(guān)鍵域”中，因為燒寫時間小于兩次中斷間隔，這樣既不會照成中斷延時，又能保證燒寫工作一次完成。
    硬件平臺上電后，系統(tǒng)啟動線程首先讀取Nor Flash中的地址映射表到地址緩沖區(qū)，隨后基于地址緩沖區(qū)進行文件管理；如需更新壞塊信息，首先更新地址緩沖區(qū)，然后將地址緩沖區(qū)內(nèi)容記錄到Nor Flash中。故而名為“映射”，實質(zhì)是一種“標記”的方法。地址映射機制如圖2所示。

3．3 壞塊回收
    Nand Flash芯片在出廠時就存在隨機壞塊，同時隨著使用時間的推移，一些有效塊也會因為編程的原因成為新的壞塊，故而存儲陣列在使用一段時間后，應當更新壞塊信息?？紤]到陣列中文件的安全性和完整性，系統(tǒng)設(shè)置為存儲陣列為空時方能更新壞塊信息。
    格式化整個陣列后，存儲陣列中的FPGA芯片依次讀取每個數(shù)據(jù)塊的第一頁數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)非0xFF數(shù)據(jù)的個數(shù)超過設(shè)定閾值，就認為此數(shù)據(jù)塊為壞塊。之所以設(shè)定閾值而不是一有非0xFF數(shù)據(jù)就視為壞塊，是為了克服數(shù)據(jù)讀取的不穩(wěn)定性。
    BF537讀取存儲陣列傳送來最新壞塊信息后，按照圖2中地址映射表設(shè)置的辦法，首先更新地址映射緩沖區(qū)，隨即將地址映射緩沖區(qū)的內(nèi)容實時更新到數(shù)據(jù)Nor Flash中，保持兩者的同步。
    由于壞塊信息更新的時間可能較長，更新工作放在主線程中可能造成較大時延，影響主線程對用戶命令的響應，所以壞塊回收與標記可放在子線程中。
3．4 磨損均衡
    Nand Flash芯片的編程次數(shù)有限，如果對某個數(shù)據(jù)塊操作過于頻繁，將迅速縮短其使用壽命，最終成為壞塊，乃至影響整個芯片的使用。如果均衡地使用Flash芯片的每個數(shù)據(jù)塊，對其操作的概率在較長時間內(nèi)大體相當，這樣不僅能減少芯片壞塊的比例，也能延長存儲陣列的使用壽命。
    開源和商業(yè)的文件系統(tǒng)，都有較為完備的臟塊回收和磨損均衡的機制，但是其算法往往較復雜，同時需要將運行信息實時更新到Flash芯片中。在存儲速率要求很高的情況下，復雜的機制對存儲速率將不可避免地造成影響。
    文件系統(tǒng)關(guān)于磨損均衡的解決方案主要是順序存儲和陣列整理。文件存儲時，并不使用“鏈式存儲”，填充文件刪除所留下的“空洞”，而采用“連續(xù)存儲”的方式，將最新的文件存儲到當前所有文件的末尾。這樣不僅編程簡單，而且存儲陣列在一段時間后可能會被耗盡，此時如果刪除尾部的某些文件，那么下個的文件可以存儲在這些空余出來的位置；如果利用陣列整理功能將當前文件“壓縮”為連續(xù)緊湊的文件序列，去除文件刪除時留下的空洞，這樣整理出來的空間也可以繼續(xù)用于下次存儲。
3．5 掉電保護
    嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的工作環(huán)境一般較為惡劣，電源模塊隨時會有停止供電的可能。故而掉電保護是嵌入式文件系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點。
     微軟的FNT文件系統(tǒng)的掉電保護主要針對FAT表，本文件系統(tǒng)也是基于這個理念。開始文件存儲時，子線程對發(fā)送的塊地址數(shù)目做一個計數(shù)，當計數(shù)量達到設(shè)定的閾值N后，將新文件的信息更新到文件目錄表緩沖區(qū)中，并立即將文件目錄表更新到Nor Flash中，兩個更新的操作不能被中斷，故而將這段代碼推入到關(guān)鍵域中。隨后將計數(shù)值清零，重新開始前一過程。如果在存儲過程中掉電，重新上電啟動后，開始新的存儲，系統(tǒng)會自動查詢存儲陣列最后一個文件的狀態(tài)標記，如果標記為暫存，則判定最后一個文件在存儲時遇到了掉電的情況，那么系統(tǒng)自動擦除該文件接下來N個數(shù)據(jù)塊的信息，然后最后一個文件開始新的存儲。
    文件刪除操作是在刪除動作完成后才更新文件目錄表，如果在刪除過程中掉電，那么上電后，用戶可以對該文件重新刪除。文件的拷貝和剪切是在操作前更新文件目錄表，如果在操作過程中出現(xiàn)斷電，重新上電后，用戶可先刪除拷貝后的新的文件，去除殘塊，然后開始新的操作。

4 結(jié)束語
    介紹的嵌入式文件系統(tǒng)已在項目中成功投入使用，當然仍有許多方面需要改進。例如文件目錄表如果較長，線性遍歷耗時也會相對較長；文件目錄表沒有備份，如果更新文件列表時存儲系統(tǒng)出現(xiàn)掉電，該如何應對等。VDK是ADI公司為自己的集成開發(fā)環(huán)境量身打造的內(nèi)核，相對于Linux等開源系統(tǒng)來說，使用范圍可能較窄，但基于ADI的DSP使用自然有其得天獨厚的優(yōu)勢。