Flash損耗均衡的嵌入式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
嵌入式系統(tǒng)的海量存儲(chǔ)器多采用Flash存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，由于Flash存儲(chǔ)器具有有限寫(xiě)入次數(shù)的壽命限制，因此對(duì)于Flash存儲(chǔ)器局部的頻繁操作會(huì)縮短Flash存儲(chǔ)器的使用壽命。如何設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的、針對(duì)嵌入式應(yīng)用的文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)Flash存儲(chǔ)器的損耗均衡，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理，對(duì)于提高其使用壽命具有一定的意義。
本文基于AVR單片機(jī)擴(kuò)展Flash存儲(chǔ)器和以太網(wǎng)控制器設(shè)計(jì)了一款嵌入式文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和存儲(chǔ)器使用的損耗均衡，為延長(zhǎng)Flash存儲(chǔ)器的使用壽命提供研究方法。
1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
本嵌入式文件系統(tǒng)選用Atmel公司的AVR單片機(jī)ATmega 128和Flash存儲(chǔ)器AT45D13081。該Flash芯片具有8 Mb存儲(chǔ)空間，共分為4096數(shù)據(jù)頁(yè)，每頁(yè)可存儲(chǔ)264字節(jié)。通過(guò)串行外圍設(shè)備接口SPI實(shí)現(xiàn)ATmega 128和AT45DB081之間的數(shù)據(jù)通信。文件系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網(wǎng)控制器。

2 嵌入式文件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
文件系統(tǒng)的管理是通過(guò)把它所管理的信息組織成文件形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。文件是具有名稱(chēng)的相關(guān)信息元素的序列。從用戶(hù)角度看，文件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了按名存儲(chǔ)；從系統(tǒng)管理的角度看，它主要實(shí)現(xiàn)了文件存儲(chǔ)器的空間組織及分配、文件信息的存儲(chǔ)以及文件的保護(hù)及檢索。文件系統(tǒng)要借助于組織良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來(lái)有效地對(duì)文件信息進(jìn)行管理，使用戶(hù)更方便地存儲(chǔ)信息。文件系統(tǒng)對(duì)于底層硬件的特性一般并不關(guān)心，只提供簡(jiǎn)單且標(biāo)準(zhǔn)的接口。
2．1 文件系統(tǒng)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
根據(jù)Flash芯片的特性，為了最快捷地實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的讀取，本文件系統(tǒng)采用單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)，利用鏈接頁(yè)的方法管理Flash的存儲(chǔ)空間。文件系統(tǒng)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。在Flash存儲(chǔ)器中，文件系統(tǒng)分為3部分：文件系統(tǒng)信息表(FAT)、文件控制塊(File Control Block，F(xiàn)CB)和數(shù)據(jù)區(qū)(Data Area，DA)。

文件系統(tǒng)信息表(FAT)用于存放文件系統(tǒng)的信息和屬性。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含F(xiàn)AT的有效性標(biāo)志、文件總數(shù)、第一個(gè)文件控制塊的扇區(qū)號(hào)及其在存儲(chǔ)器中的地址，以及當(dāng)前FAT在存儲(chǔ)器中的地址。
文件控制塊(FCB)是存放在Flash中的，表示文件的靜態(tài)信息。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含文件名(11字節(jié)之內(nèi))、文件首簇所在的扇區(qū)號(hào)、文件長(zhǎng)度、文件屬性、文件創(chuàng)建時(shí)間、下一個(gè)FCB的Flash地址以及文件控制塊有效標(biāo)志。文件控制塊之間采用鏈表形式鏈接。
文件句柄(File_Handle)是存放在內(nèi)存中的，表示文件的動(dòng)態(tài)信息。當(dāng)用戶(hù)打開(kāi)或創(chuàng)建文件時(shí)，會(huì)在內(nèi)存中申請(qǐng)一個(gè)文件句柄。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含文件句柄標(biāo)示號(hào)、文件句柄狀態(tài)、文件名、文件首簇號(hào)、首簇所在的扇區(qū)號(hào)、當(dāng)前簇號(hào)、文件指針、文件長(zhǎng)度以及文件的FCB地址。
操作系統(tǒng)中將相鄰的扇區(qū)組合在一起，形成一個(gè)簇，然后再對(duì)簇進(jìn)行管理。顯然，簇是操作系統(tǒng)所使用的邏輯概念，而非磁盤(pán)的物理特性。為了更好地管理磁盤(pán)空間和更高效地從硬盤(pán)讀取數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)規(guī)定一個(gè)簇中只能放置一個(gè)文件的內(nèi)容，因此文件所占用的空間，只能是簇的整數(shù)倍。本文設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)規(guī)定一個(gè)簇的大小為存儲(chǔ)器的一個(gè)頁(yè)。