uClinux平臺(tái)下的Flash存儲(chǔ)技術(shù)

   摘要：較為詳細(xì)地介紹嵌入式操作系統(tǒng)uClinux平臺(tái)下的Flash存儲(chǔ)技術(shù)，并給出基于三星S3C4510系統(tǒng)下Dlash存儲(chǔ)器具體設(shè)計(jì)實(shí)例。

    關(guān)鍵詞：Flash存儲(chǔ)技術(shù) uClinux平臺(tái) S3C4510

1 Flash類型與技術(shù)特點(diǎn)

Flash主要分為NOR和NAND兩類。下面對二者作較為詳細(xì)的比較。

1.1 性能比較

Flash閃存是非易失存儲(chǔ)器，可以對存儲(chǔ)器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何Flash器件進(jìn)行寫入操作前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作十分簡單；而NOR則要求在進(jìn)行擦除前，先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。擦除NOR器件時(shí)是以64～128KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行一個(gè)寫入/擦除操作的時(shí)間為1～5s；擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。執(zhí)行擦除時(shí)，塊尺寸的不同近一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距。統(tǒng)計(jì)表明，對于給定的一套寫入操作（尤其是更新小文件時(shí)），更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。因此，當(dāng)選擇存儲(chǔ)解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)師必須權(quán)衡以下的各項(xiàng)因素。

*NOR的讀取速度比NAND稍快一些。

*NAND的寫入速度比NOR快很多。

*NAND的擦除速度遠(yuǎn)比NOR快。

*大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。

*NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。

1.2 接口差別

NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)容的每一字節(jié)。

NAND器件使用復(fù)雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，各個(gè)產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。8個(gè)引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。NAND的讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點(diǎn)有點(diǎn)像硬盤管理此類操作。很自然地，基于NAND的存儲(chǔ)器就可以取代硬盤或其它塊設(shè)備。

1.3 容量和成本

NAND Flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半。由于生產(chǎn)過程更為簡單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應(yīng)地降低了價(jià)格。

NOR Flash占據(jù)了大部分容量為1～16MB的內(nèi)存市場，而NAND Flash只是用在8～128MB的產(chǎn)品當(dāng)中。

1.4 可靠性和耐用性

采用Flash介質(zhì)時(shí)，一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問題是可靠性。對于需要擴(kuò)展MTBF的系統(tǒng)來說，F(xiàn)lash是非常合適的存儲(chǔ)方案?？梢詮膲勖陀眯裕?、位交換和壞塊處理三個(gè)方面來比較NOR和NAND的可靠性。

（1）壽命（耐用性）

在NAND閃存中，每個(gè)塊的最大擦寫次數(shù)是100萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是10萬次。NAND存儲(chǔ)器除了具有10：1的塊擦除周期優(yōu)勢外，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8位，每個(gè)NAND存儲(chǔ)器塊在給定時(shí)間閃的刪除次數(shù)要少一些。

（2）位交換

所有Flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下（很少見，NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多），一個(gè)比特位會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報(bào)告反轉(zhuǎn)了。

一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個(gè)關(guān)鍵文件上，這個(gè)小小的故障就可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。如果只是報(bào)告有問題，多讀幾次就可能解決。

位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND閃存，NAND的供應(yīng)商建議使用NAND閃存的時(shí)候，同時(shí)使用EDC/ECC算法。當(dāng)然，如果用本地存儲(chǔ)設(shè)備來存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、配置文件或其它敏感信息時(shí)，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確?？煽啃浴?/P>

（3）壞塊處理

NAND器件中的不壞塊是隨機(jī)分布的。以前做過消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價(jià)太高，根本不劃算。NAND器件需要對介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進(jìn)行這項(xiàng)處理。將導(dǎo)致高故障率。

1.5 易用性

可以非常直接地使用基于NOR的閃存，像其它存儲(chǔ)器那樣連接，并可以在上面直接運(yùn)行代碼。由于需要I/O接口，NAND要復(fù)雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND器件時(shí)，必須先寫入驅(qū)動(dòng)程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其它操作。向NAND器件寫入信息需要相當(dāng)?shù)募记?，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進(jìn)行虛擬映射。

1.6 軟件支持

在NOR器件上運(yùn)行代碼不需要任何的軟件支持。在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時(shí)，通常需要驅(qū)動(dòng)程序，也就是閃存技術(shù)驅(qū)動(dòng)程序（MTD）。NAND和NOR器件在進(jìn)行寫入和擦除操作時(shí)都需要MTD。使用NOR器件時(shí)，所需要的MTD要相對少一些。許多廠商都提供用于NOR器件的更高級的軟件，其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)被Wind River System、Microsoft、QNX Sotrware System、Symbian和Intel等廠商所采用。驅(qū)動(dòng)還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進(jìn)行仿零點(diǎn)和NAND閃存的管理，包括糾錯(cuò)、壞塊處理和損耗平衡。

目前，NOR Flash的容量從幾KB～64MB不等，NAND Flash存儲(chǔ)芯片的容量從8MB～128MB，而DiskonChip可以達(dá)到1024MB。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Flash在每MB的存儲(chǔ)開銷上較RAM要昂貴，但對于uClinux系統(tǒng)來說，選擇Flash作為存儲(chǔ)器具有一定的優(yōu)勢。UClinux系統(tǒng)在上電后，需要運(yùn)行的程序代碼和數(shù)據(jù)都可以存儲(chǔ)在Flash中，甚至放在CPU起始地址中的uClinux啟動(dòng)內(nèi)核都可以寫入Flash中。從一定意義上講，嵌入式系統(tǒng)只用Flash就可以完成所需的存儲(chǔ)功能。

Flash存儲(chǔ)器的分區(qū)較硬盤的分區(qū)更為簡單，分區(qū)后的Flash使用起來更加方便。典型的Flash分區(qū)如下。

SEGMENT PURPOSE

0 Bootloader

1 factory configuration

2

┆ kernel

X

┆ root filesystem

Y

分區(qū)0放置Bootloader，分區(qū)1放置factory configuration，分區(qū)2到分區(qū)X放置系統(tǒng)內(nèi)核，分區(qū)X到分區(qū)Y放置根文件系統(tǒng)。Flash的分區(qū)可以根據(jù)需要?jiǎng)澐?，uClinux中支持Flash存儲(chǔ)器的塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)定義上述的分區(qū)。

和PC機(jī)下的Linux不同，F(xiàn)lash的分區(qū)把系統(tǒng)內(nèi)核文件和根文件系統(tǒng)單獨(dú)劃分到兩個(gè)分區(qū)中，而PC機(jī)的硬盤是把內(nèi)核文件和根文件系統(tǒng)放在一個(gè)分區(qū)內(nèi)。PC機(jī)下Linux的Bootloader是LILO或GRUB。它們在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)能智能地在分區(qū)中找到內(nèi)核文件塊，并把它加載到RAM中運(yùn)行。對于Flash而言，把內(nèi)核的鏡像文件寫進(jìn)一個(gè)單獨(dú)的分區(qū)對嵌入式系統(tǒng)有兩大優(yōu)點(diǎn)：①系統(tǒng)可以直接在Flash上運(yùn)行；②LILO或GRUB更易找到內(nèi)核代碼并加載，甚至可以不用LILO或GRUB引導(dǎo)而直接運(yùn)行。

內(nèi)核文件和根文件系統(tǒng)在Flash中的放置，可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要適當(dāng)選擇。

3 引導(dǎo)程序選擇

系統(tǒng)啟動(dòng)之前的引導(dǎo)過程是CPU初始化的過程。包括ARM和X86在內(nèi)的許多CPU是從固定地址單元開始運(yùn)行引導(dǎo)程序（Bootloader）的。其它的部分CPU是從某個(gè)地址單元讀入引導(dǎo)程序的入口地址，然后再運(yùn)行引導(dǎo)程序，譬如M68K和Coldfire系列。所以這些都影響到Flash中系統(tǒng)啟動(dòng)代碼的存放地址。

系統(tǒng)首先要考慮的是在什么地址存放Bootloader，或者說系統(tǒng)從哪個(gè)地址單元開始加載運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)核代碼。

CPU啟動(dòng)后直接運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)核是可以實(shí)現(xiàn)的。對于uClinux來說，啟動(dòng)代碼必須包括芯片的初始化和RAM的初始化等硬件配置；同時(shí)加載內(nèi)核的代碼段到RAM中，并清除初始化的數(shù)據(jù)段內(nèi)容。盡管這些實(shí)現(xiàn)起來很直觀，但是要具體把啟動(dòng)代碼存放在Flash中正確的地址偏移單元內(nèi)，使CPU一啟動(dòng)便能執(zhí)行就比較困難了。不過，現(xiàn)在技術(shù)比較先進(jìn)的CPU都將默認(rèn)的偏移地址設(shè)置為0，或者在偏移地址為0的附近存放起始地址。

Bootloader是一段單獨(dú)的代碼，用以負(fù)責(zé)基本硬件的初始化過程，并且加載和運(yùn)行uClinux的內(nèi)核代碼。作為系統(tǒng)啟動(dòng)工具，Bootloader經(jīng)過配置可以加載Flash中的多個(gè)內(nèi)核，甚至可以通過串口和網(wǎng)口來加載內(nèi)核和系統(tǒng)的鏡像到RAM中運(yùn)行。Bootloader同時(shí)也提供對內(nèi)核鏡像文件的多級別保護(hù)，這一點(diǎn)對于以Flash作為存儲(chǔ)設(shè)備的系統(tǒng)來說非常重要。譬如，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)核升級和重要數(shù)據(jù)備份時(shí)，系統(tǒng)突然掉電，正如PC機(jī)進(jìn)行BIOS刷寫過程中的舊電一樣，都是災(zāi)難性的。但是利用Bootloader就可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)性的恢復(fù)。

目前運(yùn)行在uClinux上的免費(fèi)Bootloader有COLILO、MRB、PPCBOOT和DBUG。也有為特殊需求設(shè)計(jì)的SNAPGEAR和ARCTURUS NETWORKS。

4 uClinux的塊驅(qū)動(dòng)器

對于嵌入式系統(tǒng)的塊設(shè)備，可選擇存儲(chǔ)文件系統(tǒng)的塊驅(qū)動(dòng)器（Block Driver）主要有三種選擇。

①Blkmem driver。Blkmem driver仍是uClinux上使用最普通的Flash驅(qū)動(dòng)器。它是為uClinux而設(shè)計(jì)的，但是它的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，并且僅支持NOR Flash的操作，需要在RAM中建立根文件系統(tǒng)。同時(shí)它也很難配置，需要代碼修改表來建立Flash分區(qū)。盡管如此，它還是提供了最基本的分區(qū)擦/寫操作。

②MTD driver。MTD driver是Linux下標(biāo)準(zhǔn)的Flash驅(qū)動(dòng)器。它支持大多數(shù)Flash存儲(chǔ)設(shè)備，兼有功能強(qiáng)大的分區(qū)定義和映像工具。借用交叉存取技術(shù)（interleaving），MTD driver甚至可支持同一系統(tǒng)中不同類型的Flash，Linux內(nèi)核中關(guān)于MTD driver配置有較為詳細(xì)的選擇項(xiàng)。

③RAM disk driver。在無盤啟動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)Linux中，用得最多的就是RAM disk driver；但它不支持底層的Flash存儲(chǔ)器，僅對根文件系統(tǒng)的建立有意義，即根文件系統(tǒng)壓縮以后存放在Flash的什么地方。

通過上面的比較可以看到，MTD driver提供對Flash最有力的支持同，同時(shí)它也支持在Flash上直接運(yùn)行文件系統(tǒng)，譬如JFFS和JFFS2，而B1kmem driver則不支持。

5 根文件系統(tǒng)

uClinux中的文件系統(tǒng)可以有多種選擇。通常情況下，ROMfs是使用最多的文件系統(tǒng)，它是一種簡單、緊湊和只讀的文件系統(tǒng)。ROMfs順序存儲(chǔ)文件數(shù)據(jù)，并可以在uClinux支持的存儲(chǔ)設(shè)備上直接運(yùn)行文件系統(tǒng)，這樣可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)節(jié)省許多RAM空間。

Cramfs是針對Linux內(nèi)核2.4之后的版本所設(shè)計(jì)的一種新型文件系統(tǒng)，也是壓縮和只讀格式的。它主要的優(yōu)點(diǎn)是將文件數(shù)據(jù)以壓縮形式存儲(chǔ)，在需要運(yùn)行的時(shí)候進(jìn)行解壓縮。由于它存儲(chǔ)的文件形式是壓縮的格式，所以文件系統(tǒng)不能直接在Flash上運(yùn)行。雖然這樣可以節(jié)約很多Flash存儲(chǔ)空間，但是文件系統(tǒng)運(yùn)行需要將大量的數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)RAM中，消耗了RAM空間。

考慮到多數(shù)系統(tǒng)需要能夠讀/寫的文件系統(tǒng)，可以使用MTD driver的JFFS和JFFS2日志式文件在Flash頭部建立根文件系統(tǒng)（Root Filesystem）。日志式文件系統(tǒng)可以免受系統(tǒng)突然掉電的危險(xiǎn)，并且在下一次系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)不需要文件系統(tǒng)的檢查。由于JFFS和JFFS2文件格式是特別為Flash存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的，二者都具一種稱為“損耗平衡”的特點(diǎn)，也就是說Flash的所有被擦寫的單元都保持相同的擦寫次數(shù)。利用這些特有保護(hù)措施，F(xiàn)lash的使用周期得到相當(dāng)大的提升。JFFS2使用壓縮的文件格式，為Flash節(jié)省了大量的存儲(chǔ)空間，它更優(yōu)于JFFS格式在系統(tǒng)中使用。值得注意的是，使用JFFS2格式可能帶來少量的Flash空間的浪費(fèi)，這主要是由于日志文件的過度開銷和用于回收系統(tǒng)的無用存儲(chǔ)單元，浪費(fèi)的空間大小約是兩個(gè)數(shù)據(jù)段。

如果使用RAM disk，一般應(yīng)選擇EXT2文件格式，但EXT2并不是一塊特別高效的文件存儲(chǔ)空間。由于存在RAM disk上，所以任何改變在下一次啟動(dòng)后都會(huì)丟失。當(dāng)然，也有許多人認(rèn)為對嵌入式存儲(chǔ)空間來講，這是一種優(yōu)勢，因?yàn)槊看蜗到y(tǒng)啟動(dòng)都是從已知的文件系統(tǒng)狀態(tài)開始的。

雖然在Linux下有許多的文件格式可供選擇，但是對于uClinux一般只選擇上述的幾種文件格式。另外一點(diǎn)就是如何在目標(biāo)系統(tǒng)上建立根文件系統(tǒng)，步驟如下：首先在開發(fā)宿主機(jī)上建立一個(gè)目標(biāo)機(jī)的根文件系統(tǒng)的目錄樹，然后利用嵌入式根文件系統(tǒng)生成工具在宿主機(jī)上生成目錄樹的二進(jìn)制文件鏡像，最后下載到目標(biāo)機(jī)上就可以了。對于不同的文件格式有不同的二進(jìn)制鏡像生成工具，譬如JFFS的mkfs.jffs2、ISO9660的mkisofs。