適宜于嵌入式多媒體應(yīng)用的Flash文件系統(tǒng)

3 提高Flash文件系統(tǒng)的可靠性

在MS-DOS的FAT文件系統(tǒng)中，僅僅對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)域提供壞損管理，而對(duì)于它的主引導(dǎo)記錄、文件分配表和根目錄這三個(gè)極重要的文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)卻未做任何保護(hù)(雖然MS-DOS的FAT文件系統(tǒng)中存在著兩張F(tuán)AT表，但是DOS只是簡(jiǎn)單地復(fù)寫(xiě)第二張F(tuán)AT表而從不使用它。一旦這三個(gè)區(qū)域的內(nèi)容出現(xiàn)一點(diǎn)失效，將必然導(dǎo)致文件數(shù)據(jù)的大量損失。另外，如果這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)區(qū)域發(fā)生物理性損壞，更會(huì)導(dǎo)致整張磁盤(pán)的報(bào)廢。這在由Flash存儲(chǔ)器占據(jù)很大成本比重的嵌入式應(yīng)用中，是非常不希望的。

歸結(jié)起來(lái)，嵌入式系統(tǒng)中的Flash存儲(chǔ)器主要面臨兩大類不穩(wěn)定因素：一是Flash存儲(chǔ)器本身可能出現(xiàn)物理性的損壞；二是嵌入式系統(tǒng)面對(duì)較多的突發(fā)掉電與重啟動(dòng)，造成Flash存儲(chǔ)器寫(xiě)操作的異常終止。

針對(duì)Flash存儲(chǔ)器的物理?yè)p壞問(wèn)題，除對(duì)文件數(shù)據(jù)區(qū)域提供壞損管理外，還將系統(tǒng)記錄、文件分配表和文件登記表這三個(gè)文件系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用浮動(dòng)位置的方法存儲(chǔ)。即不僅對(duì)文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分配管理，對(duì)于Flash文件系統(tǒng)中的這三個(gè)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不固定其存儲(chǔ)位置。這樣可以避免因它們的存儲(chǔ)區(qū)域發(fā)生物理?yè)p壞造成整個(gè)文件系統(tǒng)失效。具體做法是：對(duì)于系統(tǒng)記錄定義一個(gè)系統(tǒng)記錄保留區(qū)，將系統(tǒng)記錄存在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，確切的位置在文件系統(tǒng)初始化的時(shí)候通過(guò)標(biāo)識(shí)幻數(shù)(Magic Number)的方法掃描找到；而文件分配表和文件登記表則存放在文件數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)系統(tǒng)記錄中的索引項(xiàng)找到。

針對(duì)Flash存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作異常終止問(wèn)題，將系統(tǒng)記錄、文件分配表和文件登記表這三個(gè)對(duì)Flash文件系統(tǒng)最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均進(jìn)行雙份的存儲(chǔ)以改善其安全性。在文件系統(tǒng)的操作中，程序?qū)γ恳粋€(gè)表結(jié)構(gòu)的兩個(gè)備份進(jìn)行順次修改，以此確保Flash存儲(chǔ)器上總是存有一整套完好的系統(tǒng)記錄表、文件分配表和文件登記表。在系統(tǒng)被啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，文件系統(tǒng)會(huì)首先進(jìn)行自檢，通過(guò)這三個(gè)表結(jié)構(gòu)中的標(biāo)識(shí)幻數(shù)，以及最開(kāi)頭和最末尾的更新序列號(hào)可以確定每一張表備份的合法性和時(shí)效性，判斷出前次系統(tǒng)關(guān)閉中存在著的操作異常終止并及時(shí)更正。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，即使文件系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)了寫(xiě)操作異常終止的情況，錯(cuò)誤將只涉及當(dāng)時(shí)被操作的文件數(shù)據(jù)，不會(huì)擴(kuò)散給FLASH文件系統(tǒng)中的其它文件，更不會(huì)因此損壞三個(gè)文件系統(tǒng)表結(jié)構(gòu)，造成整個(gè)文件系統(tǒng)的徹底癱瘓。

通過(guò)以上兩個(gè)方面的改進(jìn)，本Flash文件系統(tǒng)的可靠性相比于MS-DOS FAT文件系統(tǒng)有了很大的提高。從實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的仿真結(jié)果可以看到，即使在Flash極不可靠和寫(xiě)操作異常終止頻發(fā)的最惡劣工作條件下，本Flash文件系統(tǒng)也能夠保持可靠工作，從而使之能夠適合于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。 

4 降低Flash文件系統(tǒng)的資源消耗

嵌入式系統(tǒng)相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)講，往往有苛刻得多的成本要求，需要嵌入式系統(tǒng)盡可能低的系統(tǒng)資源配置。尤其對(duì)于Flash文件系統(tǒng)這種用于增強(qiáng)系統(tǒng)功能的服務(wù)性質(zhì)模塊，就更需要降低對(duì)系統(tǒng)資源的消耗，才能夠擴(kuò)大其使用的范圍。

就Flash文件系統(tǒng)的資源消耗來(lái)講，主要包括程序代碼開(kāi)銷(xiāo)、處理器占用時(shí)間、運(yùn)行時(shí)內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)以及額外的Flash存儲(chǔ)器消耗。其中，運(yùn)行時(shí)內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)最限制Flash文件系統(tǒng)的應(yīng)用，同時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的改善與運(yùn)行時(shí)內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)直接相關(guān)。所以針對(duì)資源消耗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要著重于降低運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)。

Flash存儲(chǔ)器的擦除單位是區(qū)塊(Block)，這是本Flash文件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分配的最小單元。如果不采用任何措施的話，運(yùn)行時(shí)內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)中將至少包括備份一個(gè)完整區(qū)塊數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。但一個(gè)Flash存儲(chǔ)器的區(qū)塊可能很大(Sumsung[TM] KM29U128是16KB)，這在很多嵌入式系統(tǒng)中都是過(guò)大的資源開(kāi)銷(xiāo)(最通用的8位微處理器MCS-51系列，總線尋址的能力只有64KB)，必須進(jìn)行改進(jìn)。

為此，采用交換緩沖區(qū)(Swap Buffer)技術(shù)來(lái)解決這個(gè)困難。當(dāng)需要準(zhǔn)備某一個(gè)區(qū)塊的數(shù)據(jù)時(shí)，并不直接向該區(qū)塊寫(xiě)入，而是首先擦除用于做交換緩沖區(qū)的區(qū)塊，然后逐步向交換緩沖區(qū)填入目的數(shù)據(jù)內(nèi)容。因?yàn)榇藭r(shí)，任何有用數(shù)據(jù)內(nèi)容都未被破壞，所以運(yùn)行內(nèi)存中的緩沖就可以做得比較小。當(dāng)交換緩沖區(qū)填寫(xiě)完成后，再擦除目的區(qū)塊，拷貝交換緩沖區(qū)內(nèi)容到目的區(qū)塊。 

采用交換緩沖區(qū)后，對(duì)內(nèi)存中的緩沖區(qū)大小沒(méi)有特別要求，考慮到Flash存儲(chǔ)器的操作特性，選取Flash存儲(chǔ)器的頁(yè)面(Page)容量作為內(nèi)存緩沖區(qū)大小。在結(jié)構(gòu)上作了上述改進(jìn)后，雖然大大降低了Flash文件系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存消耗，但代價(jià)是將一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊的寫(xiě)入時(shí)間延長(zhǎng)了一倍。不過(guò)一般的Flash存儲(chǔ)器中都有一特別制作的區(qū)塊，該區(qū)塊保證不會(huì)損壞，正好適用做交換緩沖區(qū)。這樣就可以省去中間交換緩沖過(guò)程的數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)，加快寫(xiě)操作的速度。 表1給出了在與MCS-51兼容的微處理器上本Flash文件系統(tǒng)實(shí)例，對(duì)Sumsung KM29U128 Flash存儲(chǔ)器(16KB/Block