Blackfin輕量級(jí)內(nèi)核VDK及其文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 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(yùn)算速度和豐富的接口資源，長(zhǎng)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(luò)芯片對(duì)537進(jìn)行擴(kuò)展，就能便捷地實(shí)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(chǔ)速度快、存儲(chǔ)密度大等優(yōu)點(diǎn)，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(chǔ)媒質(zhì)。隨著存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)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(jiǎn)介

VDK（Visual DSP Kernel）是ADI公司針對(duì)Blackfin系列DSP處理器特別開發(fā)的"小而健壯"的輕量級(jí)內(nèi)核，特別適合編寫需要精確控制的代碼，是一個(gè)提供了豐富的API函數(shù)庫，同時(shí)支持輕量級(jí)IP協(xié)議棧（LwIP）的RTOS。
VDK功能全面，具有線程、信號(hào)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(wù)和時(shí)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(yùn)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(jí)高于前者，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)是兩者溝通的橋梁。

然而VDK只是一個(gè)"裸核",不提供文件系統(tǒng)的支持，如果需要基于VDK實(shí)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(jiǎn)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(jìn)行升級(jí)，發(fā)展出JSSF2.JSSF2采用哈希表的日志節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，加快了節(jié)點(diǎn)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(dòng)，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(wù)記錄方案，運(yùn)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(tái)

基于BF537的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)

LAN8187用于對(duì)BF537的以太網(wǎng)控制器進(jìn)行擴(kuò)展，使其能夠通過以太網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)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(chǔ)運(yùn)行程序代碼，數(shù)據(jù)Flash主要用于存儲(chǔ)文件系統(tǒng)運(yùn)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(duì)存儲(chǔ)陣列進(jìn)行管理。

3 嵌入式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 文件目錄表

考慮到存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)速度較快，且文件數(shù)目較少的特點(diǎn)，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)。

表1 文件目錄表格式

文件系統(tǒng)采用Nor Flash中的一個(gè)64 kB的數(shù)據(jù)塊實(shí)時(shí)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(dòng)跳到Nor Flash的下一個(gè)64 kB的數(shù)據(jù)塊記錄文件目錄表。

文件索引采用類似日志記錄的方式，每個(gè)文件索引作為文件目錄表的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。文件系統(tǒng)進(jìn)行文件操作時(shí)，可以根據(jù)具體操作要求，實(shí)時(shí)搜索、增刪和標(biāo)記索引節(jié)點(diǎn)，文件索引格式如表2所示。

表2 文件索引格式

文件存儲(chǔ)時(shí)，主線程遍歷文件目錄表的節(jié)點(diǎn)信息，計(jì)算出當(dāng)前存儲(chǔ)的起始?jí)K地址，然后向存儲(chǔ)陣列發(fā)出開始存儲(chǔ)的命令，隨后將控制權(quán)交給中斷域。一旦接收到存儲(chǔ)陣列的地址請(qǐng)求信號(hào)，運(yùn)用程序進(jìn)入中斷，在中斷域中向文件存儲(chǔ)子線程發(fā)出信號(hào)，以發(fā)送當(dāng)前地址信息，如此反復(fù)。如果主線程接收到用戶停止存儲(chǔ)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(diǎn)。

文件下載時(shí)，主線程遍歷文件目錄表，找到相應(yīng)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(duì)指定文件進(jìn)行下載。如果需要?jiǎng)h除某個(gè)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(chǔ)陣列相應(yīng)數(shù)據(jù)塊的信息擦除，然后將該文件索引信息的"文件標(biāo)記"置為"刪除"標(biāo)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(gè)存儲(chǔ)陣列作為一個(gè)獨(dú)立的地址空間，統(tǒng)一編址。通過定義一個(gè)地址緩沖區(qū)，將其相應(yīng)的偏移地址作為Nand Flash的物理地址，并根據(jù)壞塊信息對(duì)緩沖區(qū)相應(yīng)偏移地址的單元做壞塊或有效塊的標(biāo)記。文件系統(tǒng)在實(shí)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(biāo)記，則拋棄，繼續(xù)查詢下一個(gè)偏移地址的標(biāo)記，如為有效塊標(biāo)記，則將此偏移地址作為存儲(chǔ)陣列的有效物理塊地址。[!--empirenews.page--]

為提高存儲(chǔ)效率和方便管理，地址緩沖區(qū)的內(nèi)容會(huì)被記錄在數(shù)據(jù)Nor Flash中，作為一個(gè)"地址映射表".地址映射表體積不大，燒寫到Nor Flash時(shí)，可將燒寫代碼推入到VDK的"關(guān)鍵域"中，因?yàn)闊龑憰r(shí)間小于兩次中斷間隔，這樣既不會(huì)照成中斷延時(shí)，又能保證燒寫工作一次完成。

硬件平臺(tái)上電后，系統(tǒng)啟動(dòng)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(jìn)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(shí)質(zhì)是一種"標(biāo)記"的方法。地址映射機(jī)制如圖2所示。

圖2 地址映射機(jī)表的設(shè)置與使用

3.3 壞塊回收

Nand Flash芯片在出廠時(shí)就存在隨機(jī)壞塊，同時(shí)隨著使用時(shí)間的推移，一些有效塊也會(huì)因?yàn)榫幊痰脑虺蔀樾碌膲膲K，故而存儲(chǔ)陣列在使用一段時(shí)間后，應(yīng)當(dāng)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(chǔ)陣列為空時(shí)方能更新壞塊信息。

格式化整個(gè)陣列后，存儲(chǔ)陣列中的FPGA芯片依次讀取每個(gè)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(gè)數(shù)超過設(shè)定閾值，就認(rèn)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(chǔ)陣列傳送來最新壞塊信息后，按照?qǐng)D2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(shí)時(shí)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(shí)間可能較長(zhǎng)，更新工作放在主線程中可能造成較大時(shí)延，影響主線程對(duì)用戶命令的響應(yīng)，所以壞塊回收與標(biāo)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(duì)某個(gè)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(gè)芯片的使用。如果均衡地使用Flash芯片的每個(gè)數(shù)據(jù)塊，對(duì)其操作的概率在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)大體相當(dāng)，這樣不僅能減少芯片壞塊的比例，也能延長(zhǎng)存儲(chǔ)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(jī)制，但是其算法往往較復(fù)雜，同時(shí)需要將運(yùn)行信息實(shí)時(shí)更新到Flash芯片中。在存儲(chǔ)速率要求很高的情況下，復(fù)雜的機(jī)制對(duì)存儲(chǔ)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(chǔ)和陣列整理。文件存儲(chǔ)時(shí)，并不使用"鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)",填充文件刪除所留下的"空洞",而采用"連續(xù)存儲(chǔ)"的方式，將最新的文件存儲(chǔ)到當(dāng)前所有文件的末尾。這樣不僅編程簡(jiǎn)單，而且存儲(chǔ)陣列在一段時(shí)間后可能會(huì)被耗盡，此時(shí)如果刪除尾部的某些文件，那么下個(gè)的文件可以存儲(chǔ)在這些空余出來的位置；如果利用陣列整理功能將當(dāng)前文件"壓縮"為連續(xù)緊湊的文件序列，去除文件刪除時(shí)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(chǔ)。

3.5 掉電保護(hù)

嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的工作環(huán)境一般較為惡劣，電源模塊隨時(shí)會(huì)有停止供電的可能。故而掉電保護(hù)是嵌入式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

微軟的FNT文件系統(tǒng)的掉電保護(hù)主要針對(duì)FAT表，本文件系統(tǒng)也是基于這個(gè)理念。開始文件存儲(chǔ)時(shí)，子線程對(duì)發(fā)送的塊地址數(shù)目做一個(gè)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)量達(dá)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(gè)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(jì)數(shù)值清零，重新開始前一過程。如果在存儲(chǔ)過程中掉電，重新上電啟動(dòng)后，開始新的存儲(chǔ)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)查詢存儲(chǔ)陣列最后一個(gè)文件的狀態(tài)標(biāo)記，如果標(biāo)記為暫存，則判定最后一個(gè)文件在存儲(chǔ)時(shí)遇到了掉電的情況，那么系統(tǒng)自動(dòng)擦除該文件接下來N個(gè)數(shù)據(jù)塊的信息，然后最后一個(gè)文件開始新的存儲(chǔ)。

文件刪除操作是在刪除動(dòng)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(duì)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(xiàng)目中成功投入使用，當(dāng)然仍有許多方面需要改進(jìn)。例如文件目錄表如果較長(zhǎng)，線性遍歷耗時(shí)也會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)；文件目錄表沒有備份，如果更新文件列表時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)出現(xiàn)掉電，該如何應(yīng)對(duì)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(duì)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(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。