基于Flash存儲器的嵌入式文件系統(tǒng)設(shè)計

引言

Flash 存儲器( Flash Memory) 是一種高可靠性、高密度的固態(tài)存儲器件。其存儲方式是完全非易失性的，掉電后可以保存數(shù)據(jù)；可以在線寫入，并可按頁連續(xù)字節(jié)寫入，存取速度快，所以嵌入式系統(tǒng)通常使用Flash 存儲器作為存儲設(shè)備。 但Flash存儲器也存在著兩個主要缺陷:一是在重寫之前必須進行擦除，因為Flash 存儲器劃分成很多擦除塊(SectorOErase) ，對任何一位數(shù)據(jù)進行修改必須先擦除整個塊(Sector) ；二是擦除塊的擦除次數(shù)有限，當一個塊提前達到擦除次數(shù)上限時， 將導(dǎo)致整個Flash 存儲器無法使用。 所以，目前PC 機上很多成熟的基于磁盤的文件系統(tǒng)在Flash 存儲器上使用都存在著不足。

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具有的特點: 一是高可靠性，在惡劣環(huán)境下系統(tǒng)仍能正常工作；二是低消耗，受成本限制系統(tǒng)設(shè)計必須量體裁衣，去除冗余；三是高效率，在占用較少資源情況下保證功能需求，這樣就要求算法簡單，效率高。 而日志文件系統(tǒng)(Log-St ruct ured File System) 在數(shù)據(jù)更新時無需將數(shù)據(jù)寫入原存儲區(qū)域，適應(yīng)Flash 存儲器無法進行重寫這一特點。 目前，針對Flash 存儲器的缺陷而設(shè)計的Linux 下的J FFS 文件系統(tǒng)，就是采用簡化的日志文件系統(tǒng)。 J FFS 文件系統(tǒng)將磨損均衡集成于清除機制之中，在帶來掉電可恢復(fù)功能的同時，大大減少了塊擦除的次數(shù)，提高了文件系統(tǒng)的存取速度和效率。 但是，J FFS 文件系統(tǒng)無法單獨使用，或者使用于其它實時操作系統(tǒng)中。 對由于受成本和實時性限制而無法使用Linux 的一些嵌入式系統(tǒng)，也就無法使用J FFS 文件系統(tǒng)?；谏鲜龇治?，該嵌入式文件系統(tǒng)適合在開源實時操作系統(tǒng)(如μC/OS-II) 和無操作系統(tǒng)的情況下使用。

嵌入式文件系統(tǒng)原理

在日志文件系統(tǒng)中，一個文件被修改后不是被寫入到原來的存儲空間，而是被加到所有內(nèi)容的后面，象日志一樣被更新，這就是日志文件系統(tǒng)的基本原理。由于同一個文件在文件系統(tǒng)中會留下不同的版本，所以系統(tǒng)需要設(shè)置一張表標注文件的最新與以前的版本。在內(nèi)容不斷添加時為不將存儲空間占滿，系統(tǒng)設(shè)計了一種回收機制，回收無效內(nèi)容占用的空間。

日志文件系統(tǒng)在文件更新時不用將文件寫回原來的地址，這對Flash 存儲器這種存儲介質(zhì)最為適合。 文中所設(shè)計的嵌入式文件系統(tǒng)采用了日志文件系統(tǒng)的設(shè)計原理，以及J FFS 文件系統(tǒng)將磨損均衡集成于清除機制之中的方法。 該系統(tǒng)將一個可擦寫塊平分為多個簇，文件的讀寫以簇為單位進行。簇的狀態(tài)有3 種:臟、干凈和空。臟表示所存內(nèi)容已被置為無效；干凈表示所存數(shù)據(jù)有效；空表示可以寫入數(shù)據(jù)。文件和目錄在該系統(tǒng)中被作為節(jié)點，一個節(jié)點占用若干個簇，節(jié)點中的內(nèi)容連續(xù)存儲，但不能越過塊邊界存儲。該系統(tǒng)設(shè)置一個索引節(jié)點，保存整個系統(tǒng)的信息，其中包含保存有各簇狀態(tài)的簇狀態(tài)表。

每一次文件更新后內(nèi)容都將被添加至末尾處，索引節(jié)點也被更新，總是占用最末尾的干凈簇。 回收臟簇時，將所要擦除塊中的干凈簇重寫到空簇中，再進行塊擦除。 當內(nèi)容寫至存儲體末端，則從頭部重新開始循環(huán)存儲。 所設(shè)計的文件系統(tǒng)的操作過程見圖1。


嵌入式文件系統(tǒng)設(shè)計

Flash 存儲器中的存儲結(jié)構(gòu)

Flash 存儲器中的存儲結(jié)構(gòu)見圖2。 該存儲器中每個簇的第一個字作為簇的狀態(tài)字，表示此簇是否為一個節(jié)點的首簇或空簇。 每個節(jié)點的首部存放此節(jié)點屬性(文件/目錄/索引節(jié)點) 和節(jié)點標識號。


索引節(jié)點　

索引節(jié)點存放該文件系統(tǒng)的大部分信息。 包括32 位的索引節(jié)點更新號、一張簇狀態(tài)表、下一個要被擦除塊的塊號、給下一個新建節(jié)點(文件或目錄) 的節(jié)點編號、系統(tǒng)根目錄信息表。系統(tǒng)每一次更新都會產(chǎn)生新的索引節(jié)點，索引節(jié)點更新號加1。 按照Flash 存儲器的使用壽命10 年計算，需要每秒更新136 次以上，才能達到索引節(jié)點更新號的上限，所以認為擁有最大更新號的索引節(jié)點為最新的索引節(jié)點。簇狀態(tài)表中對應(yīng)每一個簇有兩個Bit 位，表示各個簇的狀態(tài)(干凈01 ，臟11 ，空00) 。根目錄信息表存放根目錄下的各個目錄項，每個目錄項包括:屬性(文件0x1/目錄0x0) 、文件名或目錄名、節(jié)點編號、此文件(或目錄) 對應(yīng)節(jié)點的起始簇地址、根目錄表的大小可變。

目錄節(jié)點　

目錄節(jié)點存放的內(nèi)容有目錄名，目錄項個數(shù)，及所有目錄項信息。 文件節(jié)點存放文件名，文件大小，文件屬性及文件內(nèi)容，內(nèi)存中的目錄結(jié)構(gòu)見圖3。


內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及基本操作

該文件系統(tǒng)載入(Mount ) 后，會在內(nèi)存中建立一個系統(tǒng)的映象。該映象包括:索引節(jié)點中的信息、目錄及文件信息、每個可擦寫塊中包含的節(jié)點信息、未存盤的節(jié)點信息。簇狀態(tài)表、索引節(jié)點更新號、新節(jié)點編號、下一擦除塊號等索引節(jié)點中的內(nèi)容，在內(nèi)存中均作為不同的變量。內(nèi)存中為每個文件和目錄都建立了映象，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖4 和圖5。