基于Flash存儲(chǔ)器的嵌入式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)遭遇斷電重新啟動(dòng)后，索引節(jié)點(diǎn)中的信息會(huì)與系統(tǒng)中的狀態(tài)不符，這時(shí)便需要錯(cuò)誤處理機(jī)制。 錯(cuò)誤一般是索引節(jié)點(diǎn)中標(biāo)注的空簇已被寫入了數(shù)據(jù)，錯(cuò)誤處理就是將此簇標(biāo)志為臟簇，并查找下一個(gè)空簇重新寫入。

多任務(wù)處理機(jī)制　

該文件系統(tǒng)允許同時(shí)打開多個(gè)文件，在多任務(wù)操作系統(tǒng)下，為了避免沖突建立了多任務(wù)處理機(jī)制。系統(tǒng)允許打開的多個(gè)文件在內(nèi)存中同時(shí)被編輯修改，但是對(duì)Flash 寫入操作有限制。 處理方法是設(shè)立Flash 寫入保護(hù)區(qū)，在此區(qū)中只允許當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)執(zhí)行Flash 寫入操作。 實(shí)現(xiàn)Flash 寫入保護(hù)區(qū)的方法是建立一個(gè)初始值為1 的信號(hào)量，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要Flash 寫入時(shí)，首先申請(qǐng)信號(hào)量，完成后再釋放信號(hào)量。 Flash 寫入保護(hù)區(qū)見圖6 、圖7。在圖6 中，空操作語(yǔ)句是用來(lái)對(duì)多個(gè)文件的保存進(jìn)行同步。 例如，有文件1 和文件2 需要保存，先將文件1 的內(nèi)容寫入Flash 中，文件1 路徑下的目錄節(jié)點(diǎn)被添加到未保存隊(duì)列中，再將文件2 的內(nèi)容寫入Flash 中，文件2 路徑下的目錄節(jié)點(diǎn)也被添加到未保存隊(duì)列中，最后將未保存隊(duì)列中的所有節(jié)點(diǎn)都寫入Flash 中。這樣，如果同一路徑下的兩個(gè)文件同時(shí)存盤，可避免路徑下的相同目錄節(jié)點(diǎn)被寫入兩次，從而提高了效率。不足之處在于，如果很多文件同時(shí)存盤，會(huì)導(dǎo)致索引節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)都無(wú)法寫入Flash 存儲(chǔ)器，有斷電丟失的危險(xiǎn)。但對(duì)于一般嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，很少會(huì)碰到這種情況。當(dāng)進(jìn)行Flash存儲(chǔ)器擦寫時(shí)，在取塊隊(duì)列首節(jié)點(diǎn)至索引節(jié)點(diǎn)寫入完成這段時(shí)間內(nèi)都不允許進(jìn)行其他Flash 存儲(chǔ)器的寫入操作，這是為了保證數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)也提高了文件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

無(wú)目錄文件系統(tǒng)的優(yōu)化

許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中雖沒有目錄管理的要求，但是對(duì)執(zhí)行效率和資源消耗的要求較高。 對(duì)于不要求有目錄管理的精簡(jiǎn)文件系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)也進(jìn)行了優(yōu)化。精簡(jiǎn)文件系統(tǒng)在Flash 中的存儲(chǔ)格式與上述設(shè)計(jì)相同，文件系統(tǒng)中的所有文件信息都保存在索引節(jié)點(diǎn)的根目錄信息表中。精簡(jiǎn)文件系統(tǒng)在內(nèi)存中的映象則要簡(jiǎn)單很多，只包含索引節(jié)點(diǎn)中的信息，包括簇狀態(tài)表、下一個(gè)擦除塊、下一個(gè)新節(jié)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)和根目錄信息，而不用為每個(gè)文件都建立內(nèi)存中的映象，節(jié)省大量的內(nèi)存空間。 文件的編輯存盤過(guò)程簡(jiǎn)化為:打開文件、編輯、將文件寫入Flash 存儲(chǔ)器、將修改后的索引節(jié)點(diǎn)寫入Flash 存儲(chǔ)器。擦寫則只需通過(guò)查詢根目錄信息表中的各個(gè)目錄項(xiàng)，將塊中的所有文件節(jié)點(diǎn)寫入空簇即可。在無(wú)目錄管理的情況下，精簡(jiǎn)文件系統(tǒng)占用的內(nèi)存資源可以減少，操作也可便捷，提高了效率。 對(duì)于大量只需要按名存取的簡(jiǎn)單文件管理的小型嵌入式系統(tǒng)而言，針對(duì)Flash 存儲(chǔ)器的簡(jiǎn)單文件系統(tǒng)將占用資源少，執(zhí)行效率高，有很大的應(yīng)用價(jià)值。

嵌入式文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及性能分析

該文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用了分層方法，分為3 層4 個(gè)部分:應(yīng)用程序接口、文件系統(tǒng)核心、操作系統(tǒng)調(diào)用接口、Flash 存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)見圖8。


實(shí)現(xiàn)平臺(tái)中RTOS 為μC/OSOII 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，CPU 使用三星S4510B作為處理器，F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器芯片為FUJ ITSU 的29LV160 TE。 針對(duì)不同的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和Flash 存儲(chǔ)器芯片需要實(shí)現(xiàn)不同的操作系統(tǒng)接口和Flash 存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)。

針對(duì)μC/ OSOII 編寫操作系統(tǒng)調(diào)用接口，包括5個(gè)函數(shù): ①系統(tǒng)調(diào)用接口初始化FS_Sys_Interface_Init ( ) ，創(chuàng)建互斥信號(hào)量和內(nèi)存分區(qū)； ② Flash 寫入關(guān)閉FS_Sys_Write_Lock ( ) ，禁止Flash 寫入操作，調(diào)用μC/OS-II 中OSMutePend ( ) ； ③ Flash寫入打開FS_Sys_Write_Unlock ( ) ，重新允許Flash 寫入操作，調(diào)用μC/OS-II 中OSMutePost() ； ④內(nèi)存空間申請(qǐng)F(tuán)S_Sys_Mem_Alloc( ) 和內(nèi)存空間添加FS_Sys_Mem_Add ( ) ， 都調(diào)用OSMemGet ( ) 來(lái)完成； ⑤內(nèi)存空間釋放FS_Sys_Mem_Free ( ) ，調(diào)用OSMemPut ( ) 完成，將申請(qǐng)的內(nèi)存塊全部釋放。針對(duì)29LV160 TE 這款Flash 存儲(chǔ)器芯片，定義一個(gè)FlashDef 結(jié)構(gòu)體的全局變量， 用于存儲(chǔ)Flash 器件信息，并且編寫針對(duì)此款Flash 的塊擦寫函數(shù)FS_Device_Sector_Erase ( ) 和數(shù)據(jù)寫入函數(shù)FJ FS_Device_Write ( ) 。

完成這兩部分的實(shí)現(xiàn)后，該系統(tǒng)就可運(yùn)行調(diào)試。 測(cè)試應(yīng)用程序接口(API) 。應(yīng)該提供的各部分功能，并在突然斷電情況下，測(cè)試文件系統(tǒng)的恢復(fù)情況。無(wú)目錄管理的精簡(jiǎn)文件系統(tǒng)的載入，可在2μs內(nèi)完成，文件寫入耗時(shí)主要為閃存的等待時(shí)間，系統(tǒng)本身只占用不到200 個(gè)字節(jié)的內(nèi)存，產(chǎn)生的代碼段大小為7 K。完整的文件系統(tǒng)載入時(shí)，需要建立內(nèi)存中映象，耗時(shí)根據(jù)文件數(shù)量的多少而不同，一般為10μs ，產(chǎn)生的代碼段大小為11 K。系統(tǒng)寫入效率較高，在無(wú)目錄管理的配置下尤其明顯。試驗(yàn)中系統(tǒng)在多次斷電的情況下，系統(tǒng)仍能恢復(fù)至上次存盤的狀態(tài)，雖會(huì)導(dǎo)致個(gè)別文件未更新，但不會(huì)導(dǎo)致文件系統(tǒng)崩潰。

結(jié)　語(yǔ)

針對(duì)Flash 存儲(chǔ)器的固有缺陷設(shè)計(jì)了一種基于Flash 存儲(chǔ)器的嵌入式文件系統(tǒng)。 在文件讀寫時(shí)，極大減少了Flash 存儲(chǔ)器擦寫的次數(shù)，提高了效率。 此系統(tǒng)代碼精簡(jiǎn)，運(yùn)行時(shí)占用內(nèi)存資源少，運(yùn)行效率高，而且有斷電保護(hù)，有較高的安全性。