如何基于FLASH介質(zhì)嵌入式存儲(chǔ)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

引言

FLASH(閃速存儲(chǔ)器)作為一種安全、快速的存儲(chǔ)體，具有體積小、容量大、成本低、掉電數(shù)據(jù)不丟失等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和程序最主要的載體。由于FLASH在結(jié)構(gòu)和操作方式上與硬盤、E2ROM等其他存儲(chǔ)介質(zhì)有較大區(qū)別，使用FLASH時(shí)必須根據(jù)其自身特性，對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。

FLASH的特點(diǎn)

FLASH是一種非易失性存儲(chǔ)器NVM(Non-VolatileMemory)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以將其分成NORFLASH和NANDFLASH兩種。但不管哪一種都具有如下特點(diǎn)：

(1)區(qū)塊結(jié)構(gòu)

FLASH在物理結(jié)構(gòu)上分成若干個(gè)區(qū)塊，區(qū)塊之間相互獨(dú)立。比如NORFLASH把整個(gè)Memory分成若干個(gè)Sector，而NANDFLASH把整個(gè)Memory分成若干個(gè)Block;

(2)先擦后寫

由于FLASH的寫操作只能將數(shù)據(jù)位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫入之前必須先執(zhí)行擦操作，將預(yù)寫入的數(shù)據(jù)位初始化為1。擦操作的最小單位是一個(gè)區(qū)塊，而不是單個(gè)字節(jié)。

(3)操作指令

除了NORFLASH的讀，F(xiàn)LASH的其它操作不能像RAM那樣，直接對(duì)目標(biāo)地址進(jìn)行總線操作。比如執(zhí)行一次寫操作，它必須輸入一串特殊的指令(NORFLASH)，或者完成一段時(shí)序(NAND FLASH)才能將數(shù)據(jù)寫入到FLASH中。

(4)位反轉(zhuǎn)

由于FLASH固有的電器特性，在讀寫數(shù)據(jù)過程中，偶然會(huì)產(chǎn)生一位或幾位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。這就是位反轉(zhuǎn)。位反轉(zhuǎn)無法避免，只能通過其他手段對(duì)結(jié)果進(jìn)行事后處理。

(5)壞塊

FLASH在使用過程中，可能導(dǎo)致某些區(qū)塊的損壞。區(qū)塊一旦損壞，將無法進(jìn)行修復(fù)。如果對(duì)已損壞的區(qū)塊進(jìn)行操作，可能會(huì)帶來不可預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤。尤其是NAND FLASH在出廠時(shí)就可能存在這樣的壞塊(已經(jīng)被標(biāo)識(shí)出)。

關(guān)鍵設(shè)計(jì)

FLASH通用設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，設(shè)備的兼容性越好，系統(tǒng)可行性就越好，產(chǎn)品也就越有競(jìng)爭(zhēng)力。所以，為了兼容不同類型的FLASH設(shè)備，對(duì)FLASH進(jìn)行通用設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

對(duì)于NORFLASH，數(shù)據(jù)的讀操作可以通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線快速完成，然而NOR FLASH的其他操作需要通過特殊的指令來完成，更糟糕的是不同廠商生產(chǎn)的芯片這些指令互不相同。這就導(dǎo)致了設(shè)備的不兼容。

對(duì)于NAND FLASH，也存在這樣的問題。NAND FLASH可以根據(jù)相同的指令讀取芯片的廠商號(hào)和設(shè)備號(hào)，從而通過識(shí)別設(shè)備號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)的時(shí)序流程實(shí)現(xiàn)操作。但是，系統(tǒng)中太多的判斷，會(huì)使得程序的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。所以，在一定的條件下，NAND FLASH設(shè)備還是不兼容的。

為了解決這一問題，一個(gè)較好的方法是將FLASH的各個(gè)操作指令以及結(jié)構(gòu)特性按照統(tǒng)一的格式存放到FLASH中固定位置。系統(tǒng)初始化時(shí)，將這個(gè)結(jié)構(gòu)讀入系統(tǒng)，通過分析這個(gè)結(jié)構(gòu)，可以獲得關(guān)于芯片所有相關(guān)信息，包括操作指令，區(qū)塊分布等等。這樣，系統(tǒng)可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)FLASH的所有操作，極大地提高了設(shè)備的擴(kuò)展性。

雙模式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)中文件數(shù)據(jù)的存放一般有兩種結(jié)構(gòu)，一種是索引格式的線性結(jié)構(gòu)，一種是非線性的鏈表式結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。比如對(duì)于系統(tǒng)配置、點(diǎn)陣字庫等一些具有固定結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，索引結(jié)構(gòu)比鏈表式結(jié)構(gòu)更有效率。但對(duì)于經(jīng)常更新的用戶數(shù)據(jù)，鏈表式結(jié)構(gòu)要比索引結(jié)構(gòu)更靈活。如果系統(tǒng)能將兩種結(jié)構(gòu)集成，勢(shì)必能將性能發(fā)揮到最優(yōu)。

實(shí)現(xiàn)這種集成的方法是將設(shè)備定義成若干個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)相互獨(dú)立，不同分區(qū)可以使用不同的文件模式。這樣，不同類型的數(shù)據(jù)就可以根據(jù)自己的屬性選擇存放的分區(qū)。比如系統(tǒng)數(shù)據(jù)存放在使用索引線性結(jié)構(gòu)的分區(qū)，用戶數(shù)據(jù)存放在使用鏈?zhǔn)椒蔷€性結(jié)構(gòu)的分區(qū)。

壞塊處理

FLASH中的壞塊處理是一件很棘手的問題，如果沒有有效的管理，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)造成嚴(yán)重影響。一個(gè)可行的解決方法是生成一張壞塊表，壞塊表中記錄所有壞塊的塊號(hào)，并且按塊號(hào)從小到大排序，壞塊表在讀寫過程中動(dòng)態(tài)更新。當(dāng)讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，遍歷壞塊表中的塊號(hào)，將文件的邏輯地址轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)FLASH物理地址，以保證所用的FLASH地址空間不存在壞塊。

結(jié)構(gòu)定義

系統(tǒng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在FLASH的Block0位置存放整個(gè)系統(tǒng)最重要的數(shù)據(jù)——系統(tǒng)記錄SR(System Record)。選擇Block0的原因是一般FLASH出廠時(shí)，都能保證Block0是完好的，因此可以避免壞塊問題帶來的不便。SR其實(shí)就是一個(gè)定義好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包括媒質(zhì)信息和文件系統(tǒng)信息兩部分。媒質(zhì)信息包括FLASH存儲(chǔ)器的類型、容量、塊類型的大小和數(shù)量(Block Info)、FLASH操作命令(CommandInfo)等。文件系統(tǒng)信息包括版本信息、各邏輯分區(qū)的起始地址(物理地址)和結(jié)束地址。FLASH設(shè)備可以被分成一個(gè)或多個(gè)邏輯分區(qū)，每個(gè)邏輯分區(qū)采用的操作方式可以互不相同，如圖1中Device0分區(qū)采用的是線性文件系統(tǒng)，Device1分區(qū)采用的是鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)。如果采用的是線性文件系統(tǒng)，在分區(qū)信息后面加入文件索引表INDEX起始地址、大小等信息;如果采用的是鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)，則加入文件系統(tǒng)頁大小、文件分配表FAT和文件登記表FRT所在的位置等信息。

文件登記表FRT位于FAT后的頁中，存放著邏輯分區(qū)中文件的信息，如文件總數(shù)、每個(gè)文件的文件代號(hào)、位置、長(zhǎng)度以及校驗(yàn)?zāi)Ｊ?。其中，校?yàn)?zāi)Ｊ接脕順?biāo)識(shí)文件讀寫時(shí)采用差錯(cuò)校驗(yàn)的級(jí)別。不同類型的文件采用不同級(jí)別的校驗(yàn)方式。0級(jí)不進(jìn)行校驗(yàn)，1級(jí)ECC校驗(yàn)，2級(jí)逐個(gè)字節(jié)比較。

對(duì)于線性文件系統(tǒng)分區(qū)，所有文件順序存儲(chǔ)，讀取數(shù)據(jù)時(shí)，直接通過INDEX索引得到某個(gè)文件的邏輯起始地址，然后從這個(gè)地址開始順序搜索，獲取某個(gè)偏移位置下的n個(gè)連續(xù)Byte。鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)是將地址空間分成若干個(gè)等分，即Sector，它是操作的最小單位;一個(gè)大文件可以分布在不連續(xù)的多個(gè)Sector中，然后通過FAT表將它們連接起來;在FLASH介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)轿募到y(tǒng)，Sector大小的選擇是一個(gè)關(guān)鍵，由于FLASH的寫操作，擦操作是以Page，Block為單位的，設(shè)小了使大塊結(jié)構(gòu)的FLASH寫操作復(fù)雜，設(shè)多了又浪費(fèi)空間，因此最好的選擇是將Sector大小設(shè)為擦操作的最小單位16K。