基于FLASH星載存儲器的高效管理研究

壞塊管理的另外一個任務(wù)就是決定何時對新產(chǎn)生的壞塊進行標(biāo)記。YAFFS2 采用產(chǎn)生即標(biāo)記的策略，對于新產(chǎn)生的壞塊馬上進行標(biāo)記處理。該方法可以保證壞塊表的實時更新，是采用額外存儲介質(zhì)保存壞塊表的比較理想的方案。但是本方案的壞塊標(biāo)記采用直接寫入 FLASH 的策略，實時標(biāo)記壞塊會降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，有可能造成數(shù)據(jù)的丟失。因而本方案不對壞塊進行實時標(biāo)記，而是首先在內(nèi)存中將新產(chǎn)生壞塊記錄下來，等到系統(tǒng)空閑的 時候才進行壞塊標(biāo)記。

3.3 垃圾回收策略

NAND FLASH 只能在空閑塊中寫入數(shù)據(jù)，對于已經(jīng)使用過的塊必須進行擦除使之成為空閑塊才能再次使用，這個過程稱為垃圾回收。垃圾回收涉及到對塊的擦除操作以及塊內(nèi)有效數(shù)據(jù)頁的重新寫入，對系統(tǒng)性能影響較大，因而合適的回收時機與策略是垃圾回收的關(guān)鍵。 YAFFS2 采用的垃圾回收策略為：每次在數(shù)據(jù)寫入之前判斷當(dāng)前可用的空閑塊，如果可用空閑塊數(shù)量較少，則馬上進行垃圾回收；如果空閑塊較多，則采用松弛的回收算法，寫多次再 進行一次垃圾回收。YAFFS2 垃圾回收以剩余空閑塊數(shù)目作為是否回收的依據(jù)，而沒有考慮 數(shù)據(jù)流存儲的特點，因而在數(shù)據(jù)寫入的時候經(jīng)常會碰到需要垃圾回收的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲速率的大幅下降。針對不同的應(yīng)用環(huán)境，還存在一些其它的垃圾回收算法[4]。這些算法的共同特點是盡量尋找合適的回收時機減小對數(shù)據(jù)寫入的影響，同時選擇合適的回收策略提高系 統(tǒng)性能，但這些算法策略過于復(fù)雜，不適合空間應(yīng)用。

考慮到星載存儲器運行模式及衛(wèi)星對數(shù)據(jù)實時存儲要求苛刻的特點，本方案不在寫入數(shù)據(jù)時進行垃圾回收，而選擇在系統(tǒng)空閑時由用戶主動進行垃圾回收。當(dāng)容量不足的時候文件系統(tǒng)給出提示信息，告知用戶需要進行垃圾回收，用戶也可以隨時查詢文件系統(tǒng)的狀態(tài)信息。該方案設(shè)計最為簡單，對數(shù)據(jù)寫入的影響也最小，只是每當(dāng)系統(tǒng)容量不足的時候需要用戶主 動進行垃圾回收。

4. 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

以某星載存儲器項目為背景，本文實現(xiàn)了一個如圖 1 所示結(jié)構(gòu)的星載存儲器演示系統(tǒng)。 該系統(tǒng)采用Samsung K9F1G08U0A 芯片組成4*4 的存儲陣列作為存儲空間，采用Xilinx xc2vp40 FPGA 芯片作為控制芯片，同時選用FPGA 內(nèi)嵌軟核MicroBlaze 完成CPU 功能 [5]。FPGA 同時負(fù)責(zé)完成FLASH 驅(qū)動層的功能，降低軟件的控制復(fù)雜度，提高FLASH 的訪 問效率。對于輸入輸出數(shù)據(jù)流的控制也使用FPGA 邏輯完成。本系統(tǒng)利用FLASH 存儲芯片 和FPGA 控制芯片實現(xiàn)了一個SOPC 的存儲系統(tǒng)，極大地簡化了存儲器的硬件結(jié)構(gòu)，并且 具有很大的靈活性。

演示系統(tǒng)采用 2 路SPI 實時視頻流模擬數(shù)據(jù)輸入，通過自定義協(xié)議傳輸存儲數(shù)據(jù)至地面 數(shù)據(jù)接收卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。由于原始YAFFS2 文件系統(tǒng)只能對單片F(xiàn)LASH 進行管理，因而 首先在單片F(xiàn)LASH 上對原始YAFFS2 進行測試，然后修改FLASH 底層驅(qū)動使得YAFFS2 能 夠管理4 片并行存儲結(jié)構(gòu)，最后對實際的修改后方案進行測試。測試結(jié)果顯示，采用原始 YAFFS2 文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時輸入速率小于12.5Mbps，改進為并行結(jié)構(gòu)后數(shù)據(jù)輸入速率也不會超過50Mbps，否則會造成輸入數(shù)據(jù)的部分丟失。而采用本文改進方案的設(shè)計，實時數(shù) 據(jù)輸入速率達到200Mbps，數(shù)據(jù)存儲穩(wěn)定可靠。

上述測試結(jié)果表明，改進后的方案不但很好地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的文件化管理，數(shù)據(jù)實時輸入 速率也比原始YAFFS2 系統(tǒng)至少提高了16 倍。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)指標(biāo)已經(jīng)能夠滿足部分星載存 儲器的要求，為了進一步提高數(shù)據(jù)處理能力，可以考慮增加并行的芯片數(shù)目以及采用多級流 水線的設(shè)計結(jié)構(gòu)。

5. 結(jié)束語

以 NAND FLASH 為存儲介質(zhì)的大容量存儲器在空間應(yīng)用中得到越來越廣泛的重視，但 是由于FLASH 使用的特殊性，目前國內(nèi)的FLASH 星載存儲器普遍尚未采用文件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理，而是采用直接訪問存儲芯片的方式，數(shù)據(jù)管理復(fù)雜且使用缺乏靈活性。本文以商用 文件系統(tǒng)YAFFS2 為基礎(chǔ)，針對空間應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲的特點，提出了YAFFS2 文件系統(tǒng)的改進方案，并且實現(xiàn)了一個實際的星載存儲器系統(tǒng)，對改進后的方案進行了驗證。實驗表明，改進后的文件系統(tǒng)很好地完成了數(shù)據(jù)的文件化管理，并且滿足了空間應(yīng)用大容量、高實時數(shù)據(jù) 率存儲的要求。