MAXQ處理器的非易失存儲(chǔ)功能

圖1. 數(shù)據(jù)單元報(bào)頭結(jié)構(gòu)

寫(xiě)數(shù)據(jù)單元時(shí)，寫(xiě)子程序必須知道要寫(xiě)的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)單元的長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)要寫(xiě)的位置。很容易可以知道數(shù)據(jù)寫(xiě)在哪個(gè)地址;無(wú)論是新數(shù)據(jù)單元還是更新已有的數(shù)據(jù)單元，都會(huì)寫(xiě)在存儲(chǔ)陣列的末尾。寫(xiě)命令會(huì)搜索陣列的末尾，緊接著在最后一個(gè)記錄后寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)單元。假如在當(dāng)前的存儲(chǔ)頁(yè)面沒(méi)有足夠的空間保存特定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)元，就會(huì)出現(xiàn)頁(yè)面結(jié)束標(biāo)志并打開(kāi)一個(gè)新頁(yè)面。圖2是這種典型的數(shù)據(jù)頁(yè)面的結(jié)構(gòu)。

在這個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)面中，先寫(xiě)數(shù)據(jù)單元1，并更新。接著寫(xiě)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(xiě)入數(shù)據(jù)單元2，從不更新。

頁(yè)面結(jié)束標(biāo)志的出現(xiàn)表明曾執(zhí)行寫(xiě)操作，但數(shù)據(jù)單元太長(zhǎng)不能填入當(dāng)前頁(yè)面。會(huì)打開(kāi)一個(gè)新頁(yè)面以填寫(xiě)數(shù)據(jù)單元。在整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的末尾會(huì)分配一個(gè)空單元，這里本該是一個(gè)數(shù)據(jù)單元的報(bào)頭。

圖2. 典型的數(shù)據(jù)頁(yè)面

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

從陣列中讀取數(shù)據(jù)元會(huì)比寫(xiě)操作更復(fù)雜。讀功能會(huì)收到數(shù)據(jù)元編號(hào)和數(shù)據(jù)元應(yīng)該寫(xiě)入的地址。當(dāng)執(zhí)行此命令時(shí)，讀操作會(huì)從陣列的最開(kāi)始進(jìn)行搜索。當(dāng)它找到一個(gè)記錄符合被請(qǐng)求的數(shù)據(jù)元，它會(huì)保存這個(gè)地址并繼續(xù)搜索。當(dāng)它找到另外一個(gè)匹配的記錄時(shí)，讀命令會(huì)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(huì)是符合請(qǐng)求記錄的最近寫(xiě)入的記錄。當(dāng)執(zhí)行讀操作時(shí)，就會(huì)把這個(gè)數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中。

盡管所介紹的用來(lái)從存儲(chǔ)陣列中保存和讀取記錄的主讀機(jī)制是可行的，還會(huì)存在一個(gè)問(wèn)題：沒(méi)有機(jī)制可以重新使用被過(guò)時(shí)的記錄占用的空間(也沒(méi)有機(jī)制可以刪除記錄。但由于這種方案是針對(duì)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，所以可能不會(huì)是個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題。)。如果不重新恢復(fù)一些空間，這些之前被分配的空間會(huì)很快用盡。由于閃存只能每次擦除一整個(gè)頁(yè)面，恢復(fù)空間意味著擦除整個(gè)頁(yè)面。另外一個(gè)更嚴(yán)重的問(wèn)題是閃存頁(yè)面不能被隨便擦除，會(huì)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(gè)舊頁(yè)面之前，把有用信息復(fù)制到一個(gè)新頁(yè)面。

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

第一個(gè)步驟比較復(fù)雜，需要更詳細(xì)的檢查。完成這個(gè)步驟最簡(jiǎn)單的方法可以分成兩個(gè)子步驟：第一，使用一個(gè)RAM保存記錄編號(hào)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(yè)面。這個(gè)過(guò)程最快，并且相對(duì)簡(jiǎn)單。

使用這兩個(gè)子步驟存在的問(wèn)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(chǔ)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(jiǎn)化為：

從源陣列讀取一個(gè)數(shù)據(jù)元。

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

在源陣列中搜索這個(gè)數(shù)據(jù)單元最近記錄。

把這個(gè)數(shù)據(jù)單元的最近記錄寫(xiě)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(gè)數(shù)據(jù)元都有精確的條目對(duì)應(yīng)。填寫(xiě)后的頁(yè)面如圖3示意。這樣，就可以安全擦除源頁(yè)面，并把頁(yè)面報(bào)頭寫(xiě)入目標(biāo)陣列。

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

這個(gè)過(guò)程對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)會(huì)非常安全。然而，當(dāng)使用閃存器件時(shí)還要面對(duì)另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)：在寫(xiě)或者擦除操作中掉電。假如發(fā)生掉電，有可能會(huì)破壞一個(gè)或者多個(gè)頁(yè)面 (例如寫(xiě)操作)或者不能完全擦除頁(yè)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(xiě)操作時(shí)掉電，源頁(yè)面仍然保持完整。當(dāng)重新上電后，很容易辨別新寫(xiě)的頁(yè)面(他們沒(méi)有頁(yè)面報(bào)頭)并把它擦除，再重新啟動(dòng)填寫(xiě)操作。

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

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

簡(jiǎn)言之，這些預(yù)料之外的突發(fā)事件不會(huì)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(chǔ)子系統(tǒng)沒(méi)有錯(cuò)誤檢測(cè)的機(jī)制。在數(shù)據(jù)元標(biāo)識(shí)符中有一些位(這里的是6位)沒(méi)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(méi)有發(fā)生讀寫(xiě)錯(cuò)誤。這雖然不是特別強(qiáng)大的算法(它會(huì)錯(cuò)過(guò)多位錯(cuò)誤中的1/64)，它可以檢測(cè)到多數(shù)可能發(fā)生的錯(cuò)誤。

這個(gè)方法對(duì)系統(tǒng)的另一個(gè)限制是讀取時(shí)間很長(zhǎng)。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(gè)方法可以用來(lái)縮短讀取時(shí)間：

在數(shù)據(jù)單元中為正向指針留一個(gè)空字節(jié)。當(dāng)數(shù)據(jù)更新時(shí)，為正向指針?lè)峙湟粋€(gè)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(dòng)。

向后移動(dòng)表格。這樣就可以在被請(qǐng)求信號(hào)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(dòng)時(shí)建立一個(gè)RAM陣列，包含單元ID和指針。后面的讀取會(huì)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(chǔ)是每位設(shè)計(jì)工程師遲早都必須面對(duì)的問(wèn)題。使用MAXQ處理器靈活的閃存，就不用再借助于串行存儲(chǔ)保存配置數(shù)據(jù)了。