如何基于FLASH介質嵌入式存儲方案的設計與實現(xiàn)?

引言

FLASH(閃速存儲器)作為一種安全、快速的存儲體，具有體積小、容量大、成本低、掉電數(shù)據不丟失等一系列優(yōu)點，已成為嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據和程序最主要的載體。由于FLASH在結構和操作方式上與硬盤、E2ROM等其他存儲介質有較大區(qū)別，使用FLASH時必須根據其自身特性，對存儲系統(tǒng)進行特殊設計，以保證系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)。

FLASH的特點

FLASH是一種非易失性存儲器NVM(Non-VolatileMemory)，根據結構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：

(1)區(qū)塊結構

FLASH在物理結構上分成若干個區(qū)塊，區(qū)塊之間相互獨立。比如NORFLASH把整個Memory分成若干個Sector，而NANDFLASH把整個Memory分成若干個Block;

(2)先擦后寫

由于FLASH的寫操作只能將數(shù)據位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對存儲器進行寫入之前必須先執(zhí)行擦操作，將預寫入的數(shù)據位初始化為1。擦操作的最小單位是一個區(qū)塊，而不是單個字節(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，直接對目標地址進行總線操作。比如執(zhí)行一次寫操作，它必須輸入一串特殊的指令(NORFLASH)，或者完成一段時序(NAND FLASH)才能將數(shù)據寫入到FLASH中。

(4)位反轉

由于FLASH固有的電器特性，在讀寫數(shù)據過程中，偶然會產生一位或幾位數(shù)據錯誤。這就是位反轉。位反轉無法避免，只能通過其他手段對結果進行事后處理。

(5)壞塊

FLASH在使用過程中，可能導致某些區(qū)塊的損壞。區(qū)塊一旦損壞，將無法進行修復。如果對已損壞的區(qū)塊進行操作，可能會帶來不可預測的錯誤。尤其是NAND FLASH在出廠時就可能存在這樣的壞塊(已經被標識出)。

關鍵設計

FLASH通用設計

對于一個嵌入式系統(tǒng)，設備的兼容性越好，系統(tǒng)可行性就越好，產品也就越有競爭力。所以，為了兼容不同類型的FLASH設備，對FLASH進行通用設計至關重要。

對于NORFLASH，數(shù)據的讀操作可以通過獨立的數(shù)據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的芯片這些指令互不相同。這就導致了設備的不兼容。

對于NAND FLASH，也存在這樣的問題。NAND FLASH可以根據相同的指令讀取芯片的廠商號和設備號，從而通過識別設備號調用對應的時序流程實現(xiàn)操作。但是，系統(tǒng)中太多的判斷，會使得程序的結構變得非常復雜。所以，在一定的條件下，NAND FLASH設備還是不兼容的。

為了解決這一問題，一個較好的方法是將FLASH的各個操作指令以及結構特性按照統(tǒng)一的格式存放到FLASH中固定位置。系統(tǒng)初始化時，將這個結構讀入系統(tǒng)，通過分析這個結構，可以獲得關于芯片所有相關信息，包括操作指令，區(qū)塊分布等等。這樣，系統(tǒng)可以輕松實現(xiàn)對不同型號FLASH的所有操作，極大地提高了設備的擴展性。

雙模式文件系統(tǒng)設計

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

實現(xiàn)這種集成的方法是將設備定義成若干個分區(qū)，每個分區(qū)相互獨立，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)據就可以根據自己的屬性選擇存放的分區(qū)。比如系統(tǒng)數(shù)據存放在使用索引線性結構的分區(qū)，用戶數(shù)據存放在使用鏈式非線性結構的分區(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，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性會造成嚴重影響。一個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，并且按塊號從小到大排序，壞塊表在讀寫過程中動態(tài)更新。當讀寫數(shù)據時，遍歷壞塊表中的塊號，將文件的邏輯地址轉換成對應FLASH物理地址，以保證所用的FLASH地址空間不存在壞塊。

結構定義

系統(tǒng)的存儲結構如圖1所示，在FLASH的Block0位置存放整個系統(tǒng)最重要的數(shù)據——系統(tǒng)記錄SR(System Record)。選擇Block0的原因是一般FLASH出廠時，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其實就是一個定義好的數(shù)據結構，它包括媒質信息和文件系統(tǒng)信息兩部分。媒質信息包括FLASH存儲器的類型、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)和結束地址。FLASH設備可以被分成一個或多個邏輯分區(qū)，每個邏輯分區(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)采用的是鏈式文件系統(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;如果采用的是鏈式文件系統(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)、每個文件的文件代號、位置、長度以及校驗模式。其中，校驗模式用來標識文件讀寫時采用差錯校驗的級別。不同類型的文件采用不同級別的校驗方式。0級不進行校驗，1級ECC校驗，2級逐個字節(jié)比較。

對于線性文件系統(tǒng)分區(qū)，所有文件順序存儲，讀取數(shù)據時，直接通過INDEX索引得到某個文件的邏輯起始地址，然后從這個地址開始順序搜索，獲取某個偏移位置下的n個連續(xù)Byte。鏈式文件系統(tǒng)是將地址空間分成若干個等分，即Sector，它是操作的最小單位;一個大文件可以分布在不連續(xù)的多個Sector中，然后通過FAT表將它們連接起來;在FLASH介質上實現(xiàn)鏈式文件系統(tǒng)，Sector大小的選擇是一個關鍵，由于FLASH的寫操作，擦操作是以Page，Block為單位的，設小了使大塊結構的FLASH寫操作復雜，設多了又浪費空間，因此最好的選擇是將Sector大小設為擦操作的最小單位16K。