Blackfin輕量級(jí)內(nèi)核VDK及其文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Blackfin（BF）系列DSP是ADI公司和Intel公司共同開(kāi)發(fā)的DSP,采用了一種新型結(jié)構(gòu)MSA.BF系列中的BF537具有較塊的運(yùn)算速度和豐富的接口資源，長(zhǎng)于控制和視頻圖像處理，且其帶有符合IEEE 802.3規(guī)范的以太網(wǎng)控制器，如果在BF537中移植帶有LwIP協(xié)議棧的VDK工程，并利用網(wǎng)絡(luò)芯片對(duì)537進(jìn)行擴(kuò)展，就能便捷地實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與因特網(wǎng)的通信。

由于低功耗、數(shù)據(jù)非易失、存儲(chǔ)速度快、存儲(chǔ)密度大等優(yōu)點(diǎn)，Nand Flash在閃存行列中脫穎而出，常被用作大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)媒質(zhì)。隨著存儲(chǔ)系統(tǒng)容量和存取速度的不斷提升，構(gòu)建嵌入式文件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的管理。

1 VDK與嵌入式文件系統(tǒng)

1.1 VDK簡(jiǎn)介

VDK（Visual DSP Kernel）是ADI公司針對(duì)Blackfin系列DSP處理器特別開(kāi)發(fā)的小而健壯的輕量級(jí)內(nèi)核，特別適合編寫(xiě)需要精確控制的代碼，是一個(gè)提供了豐富的API函數(shù)庫(kù)，同時(shí)支持輕量級(jí)IP協(xié)議棧（LwIP）的RTOS。
VDK功能全面，具有線程、信號(hào)量、事件與事件位、消息、關(guān)鍵域與禁止調(diào)度域等特征。內(nèi)核通過(guò)協(xié)同多任務(wù)和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式來(lái)管理和協(xié)調(diào)線程，這種方式稱為調(diào)度.VDK運(yùn)用程序可分為兩部分：線程域和中斷域。線程域中的調(diào)度稱為軟件調(diào)度,由內(nèi)核完成；中斷域中的調(diào)度稱為硬件調(diào)度,由中斷控制器完成。后者的優(yōu)先級(jí)高于前者，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)是兩者溝通的橋梁。

然而VDK只是一個(gè)裸核,不提供文件系統(tǒng)的支持，如果需要基于VDK實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)，用戶必須自己編寫(xiě)各種接口函數(shù)的代碼。

1.2 基于Nand Flash的嵌入式文件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

Flash文件系統(tǒng)主要有開(kāi)源的和商業(yè)的兩類。開(kāi)源的Flash文件系統(tǒng)，有JFFS、JFFS2、YAFS等。JFFS采用高效的日志文件系統(tǒng)，具有掉電安全、臟塊回收、磨損均衡等特性，主要用于嵌入式Linux.Red Hat公司后來(lái)在JFFS基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，發(fā)展出JSSF2.JSSF2采用哈希表的日志節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，加快了節(jié)點(diǎn)的操作速度。YAFFS也是基于日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，相比JFFS,YAFFS減少了一些功能，但降低了內(nèi)存占用率，提高了訪問(wèn)速度。
商業(yè)Flash文件系統(tǒng)主要有TrueFFS和TransactiONFFS.前者用于仿真硬盤驅(qū)動(dòng)，利用冗余數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保證可靠的數(shù)據(jù)操作，并能均勻使用Flash.后者使用事務(wù)記錄方案，運(yùn)用程序可通過(guò)FAL訪問(wèn)文件系統(tǒng)。

2 嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

基于BF537的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)

LAN8187用于對(duì)BF537的以太網(wǎng)控制器進(jìn)行擴(kuò)展，使其能夠通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)行通信。
BF537外掛了兩片Nor Flash芯片作為其異步外存。程序Nor Flash用于存儲(chǔ)運(yùn)行程序代碼，數(shù)據(jù)Flash主要用于存儲(chǔ)文件系統(tǒng)運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，例如文件目錄表、地址映射表等。XC4VFX100用于處理數(shù)據(jù)流的速度、解析和轉(zhuǎn)發(fā)BF537的命令，配合BF537對(duì)存儲(chǔ)陣列進(jìn)行管理。

3 嵌入式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 文件目錄表

考慮到存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)速度較快，且文件數(shù)目較少的特點(diǎn)，文件目錄表采用線性表的方式。格式如表1所示，其中的更新次數(shù)用于記錄存放文件目錄表數(shù)據(jù)Nor Flash的編程次數(shù)。

表1 文件目錄表格式

文件系統(tǒng)采用Nor Flash中的一個(gè)64 kB的數(shù)據(jù)塊實(shí)時(shí)記錄文件目錄表。出于磨損均衡的考慮，如果數(shù)據(jù)塊的編程次數(shù)超過(guò)規(guī)定的閾值，文件系統(tǒng)將自動(dòng)跳到Nor Flash的下一個(gè)64 kB的數(shù)據(jù)塊記錄文件目錄表。

文件索引采用類似日志記錄的方式，每個(gè)文件索引作為文件目錄表的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。文件系統(tǒng)進(jìn)行文件操作時(shí)，可以根據(jù)具體操作要求，實(shí)時(shí)搜索、增刪和標(biāo)記索引節(jié)點(diǎn)，文件索引格式如表2所示。

表2 文件索引格式

文件存儲(chǔ)時(shí)，主線程遍歷文件目錄表的節(jié)點(diǎn)信息，計(jì)算出當(dāng)前存儲(chǔ)的起始?jí)K地址，然后向存儲(chǔ)陣列發(fā)出開(kāi)始存儲(chǔ)的命令，隨后將控制權(quán)交給中斷域。一旦接收到存儲(chǔ)陣列的地址請(qǐng)求信號(hào)，運(yùn)用程序進(jìn)入中斷，在中斷域中向文件存儲(chǔ)子線程發(fā)出信號(hào)，以發(fā)送當(dāng)前地址信息，如此反復(fù)。如果主線程接收到用戶停止存儲(chǔ)的命令，將立即關(guān)閉中斷，取得控制權(quán)，接著將最新的文件信息更新到文件目錄表的最后位置，作為最新的節(jié)點(diǎn)。

文件下載時(shí)，主線程遍歷文件目錄表，找到相應(yīng)的文件索引信息，然后發(fā)送消息給文件下載子線程，開(kāi)始對(duì)指定文件進(jìn)行下載。如果需要?jiǎng)h除某個(gè)文件，在遍歷目錄表找到指定文件的信息后，先發(fā)送地址將存儲(chǔ)陣列相應(yīng)數(shù)據(jù)塊的信息擦除，然后將該文件索引信息的文件標(biāo)記置為刪除標(biāo)記。

3.2 地址映射表

地址映射是文件系統(tǒng)的核心。文件系統(tǒng)將整個(gè)存儲(chǔ)陣列作為一個(gè)獨(dú)立的地址空間，統(tǒng)一編址。通過(guò)定義一個(gè)地址緩沖區(qū)，將其相應(yīng)的偏移地址作為Nand Flash的物理地址，并根據(jù)壞塊信息對(duì)緩沖區(qū)相應(yīng)偏移地址的單元做壞塊或有效塊的標(biāo)記。文件系統(tǒng)在實(shí)際操作中，可查詢地址緩沖區(qū)，如果地址緩沖區(qū)某偏移地址為壞塊標(biāo)記，則拋棄，繼續(xù)查詢下一個(gè)偏移地址的標(biāo)記，如為有效塊標(biāo)記，則將此偏移地址作為存儲(chǔ)陣列的有效物理塊地址。