MAXQ處理器的非易失存儲功能

圖1. 數(shù)據(jù)單元報(bào)頭結(jié)構(gòu)

寫數(shù)據(jù)單元時(shí)，寫子程序必須知道要寫的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)單元的長度和數(shù)據(jù)要寫的位置。很容易可以知道數(shù)據(jù)寫在哪個地址;無論是新數(shù)據(jù)單元還是更新已有的數(shù)據(jù)單元，都會寫在存儲陣列的末尾。寫命令會搜索陣列的末尾，緊接著在最后一個記錄后寫入新的數(shù)據(jù)單元。假如在當(dāng)前的存儲頁面沒有足夠的空間保存特定長度的數(shù)據(jù)元，就會出現(xiàn)頁面結(jié)束標(biāo)志并打開一個新頁面。圖2是這種典型的數(shù)據(jù)頁面的結(jié)構(gòu)。

在這個數(shù)據(jù)頁面中，先寫數(shù)據(jù)單元1，并更新。接著寫數(shù)據(jù)單元4，但從不更新。隨后是數(shù)據(jù)單元3，共更新7次。最后寫入數(shù)據(jù)單元2，從不更新。

頁面結(jié)束標(biāo)志的出現(xiàn)表明曾執(zhí)行寫操作，但數(shù)據(jù)單元太長不能填入當(dāng)前頁面。會打開一個新頁面以填寫數(shù)據(jù)單元。在整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的末尾會分配一個空單元，這里本該是一個數(shù)據(jù)單元的報(bào)頭。

圖2. 典型的數(shù)據(jù)頁面

要注意這種方案并沒有涉及重復(fù)記錄的問題。因?yàn)橹貜?fù)記錄不會有問題。事實(shí)上，讀和寫程序都會完全忽略重復(fù)記錄。寫操作時(shí)，不管同樣編號的記錄是否存在，新記錄都會寫在陣列的末尾。當(dāng)讀操作時(shí)，只有符合請求記錄編號的最后一個(所以是最近的)記錄可以讀到。

從陣列中讀取數(shù)據(jù)元會比寫操作更復(fù)雜。讀功能會收到數(shù)據(jù)元編號和數(shù)據(jù)元應(yīng)該寫入的地址。當(dāng)執(zhí)行此命令時(shí)，讀操作會從陣列的最開始進(jìn)行搜索。當(dāng)它找到一個記錄符合被請求的數(shù)據(jù)元，它會保存這個地址并繼續(xù)搜索。當(dāng)它找到另外一個匹配的記錄時(shí)，讀命令會用新地址替代已保存的地址。當(dāng)搜索到陣列的末尾時(shí)，保存的地址就會是符合請求記錄的最近寫入的記錄。當(dāng)執(zhí)行讀操作時(shí)，就會把這個數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中。

盡管所介紹的用來從存儲陣列中保存和讀取記錄的主讀機(jī)制是可行的，還會存在一個問題：沒有機(jī)制可以重新使用被過時(shí)的記錄占用的空間(也沒有機(jī)制可以刪除記錄。但由于這種方案是針對嵌入式應(yīng)用開發(fā)的，所以可能不會是個很嚴(yán)重的問題。)。如果不重新恢復(fù)一些空間，這些之前被分配的空間會很快用盡。由于閃存只能每次擦除一整個頁面，恢復(fù)空間意味著擦除整個頁面。另外一個更嚴(yán)重的問題是閃存頁面不能被隨便擦除，會存在刪除有用信息的風(fēng)險(xiǎn)。唯一的可選方案是在刪除整個舊頁面之前，把有用信息復(fù)制到一個新頁面。

從廢舊的記錄中恢復(fù)空間有三個步驟。第一，打開新頁面，把每個數(shù)據(jù)元的最近版本復(fù)制到新頁面中。第二，擦除舊頁面。第三，對新頁面做頁面標(biāo)示，是讀命令可以找到新頁面。

第一個步驟比較復(fù)雜，需要更詳細(xì)的檢查。完成這個步驟最簡單的方法可以分成兩個子步驟：第一，使用一個RAM保存記錄編號和陣列中最近記錄的地址;第二，從RAM陣列逐一復(fù)制最近記錄到新閃存頁面。這個過程最快，并且相對簡單。

使用這兩個子步驟存在的問題是MAXQ2000只有1k字的RAM空間。上述方案限制了可以保存到RAM中作緩存的數(shù)據(jù)量。這明顯是不能接受的。

這種難題的解決方案非常耗時(shí)，但不管存儲陣列變得多大(合理范圍內(nèi))都是可行的。為源陣列中的每一項(xiàng)條目單獨(dú)操作，而不是在RAM中建立指針。因此，算法可以簡化為：

從源陣列讀取一個數(shù)據(jù)元。

在目標(biāo)陣列中搜索這個數(shù)據(jù)單元。假如找到了，就說明這個數(shù)據(jù)單元已經(jīng)寫入。源指針增加并返回步驟1。

在源陣列中搜索這個數(shù)據(jù)單元最近記錄。

把這個數(shù)據(jù)單元的最近記錄寫入目標(biāo)陣列中。

源指針增加并返回步驟1。

最后，在目標(biāo)陣列中，每個數(shù)據(jù)元都有精確的條目對應(yīng)。填寫后的頁面如圖3示意。這樣，就可以安全擦除源頁面，并把頁面報(bào)頭寫入目標(biāo)陣列。

圖3. 空間恢復(fù)后，圖2中的數(shù)據(jù)頁面會如此表現(xiàn)。

這個過程對于數(shù)據(jù)存儲會非常安全。然而，當(dāng)使用閃存器件時(shí)還要面對另一個風(fēng)險(xiǎn)：在寫或者擦除操作中掉電。假如發(fā)生掉電，有可能會破壞一個或者多個頁面 (例如寫操作)或者不能完全擦除頁面(例如擦除操作)。而我們這種緊湊的操作從本質(zhì)上講是安全的?？梢钥紤]以下的情況：

假如在填寫操作時(shí)掉電，源頁面仍然保持完整。當(dāng)重新上電后，很容易辨別新寫的頁面(他們沒有頁面報(bào)頭)并把它擦除，再重新啟動填寫操作。

假如在正擦除舊頁面時(shí)掉電，可能會包含無效的報(bào)頭?？梢圆脸@些頁面并把報(bào)頭添加到新頁面。

假如在正把頁面報(bào)頭寫入到新頁面時(shí)掉電，數(shù)據(jù)仍然是完整的。頁面報(bào)頭更新操作可以再次重新啟動。

簡言之，這些預(yù)料之外的突發(fā)事件不會導(dǎo)致陣列數(shù)據(jù)被破壞并不可恢復(fù)。

方案2的改進(jìn)

這里介紹的存儲子系統(tǒng)沒有錯誤檢測的機(jī)制。在數(shù)據(jù)元標(biāo)識符中有一些位(這里的是6位)沒有被使用?？梢允褂肅RC6算法(x6 + x + 1)根據(jù)數(shù)據(jù)元計(jì)算出CRC以確保沒有發(fā)生讀寫錯誤。這雖然不是特別強(qiáng)大的算法(它會錯過多位錯誤中的1/64)，它可以檢測到多數(shù)可能發(fā)生的錯誤。

這個方法對系統(tǒng)的另一個限制是讀取時(shí)間很長。每次讀操作都需要讀取陣列中的所有記錄，以找到最近的記錄。有3個方法可以用來縮短讀取時(shí)間：

在數(shù)據(jù)單元中為正向指針留一個空字節(jié)。當(dāng)數(shù)據(jù)更新時(shí)，為正向指針分配一個新的入口地址。按照這種方式，數(shù)據(jù)表格可以按鏈表的方式移動。

向后移動表格。這樣就可以在被請求信號第一次出現(xiàn)時(shí)停止搜索。

假如單元數(shù)量很少，可以在啟動時(shí)建立一個RAM陣列，包含單元ID和指針。后面的讀取會很快。只需讀RAM陣列以決定從哪兒獲取數(shù)據(jù)單元。

結(jié)論

非易失數(shù)據(jù)存儲是每位設(shè)計(jì)工程師遲早都必須面對的問題。使用MAXQ處理器靈活的閃存，就不用再借助于串行存儲保存配置數(shù)據(jù)了。