基于VxWorks的FLASH存儲器實時存取管理方案
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cdma2000 1x移動通信系統(tǒng)的基站主處理機采用WindRiver公司VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)，選用FLASH存儲器(以下簡稱FLASH)作為外部存儲設備保存系統(tǒng)數和業(yè)務數據。
FLASH與普通磁介質存儲器最大的差異在于寫操作方式不同，其寫操作相對于普通磁盤比較慢的過程，消耗掉大量的CPU資源。FLASH基于命令字的寫操作方式導致的寫入錯誤，雖然幾率很小但實際上是存在的。而商用VxWorks操作系統(tǒng)提供的dosFs文件系統(tǒng)和專用TrueFFS文件系統(tǒng)對該情況處理不足，并且用戶沒有相應的源碼，系統(tǒng)一旦出現寫操作錯誤，將不可控制，降低了系統(tǒng)的可控性。所以，有必要對FLASH的存取操作加以改進或控制，并設計一套相對應的專用FLASH文件管理方案，滿足系統(tǒng)可控性的要求。
2． 存取
FLASH寫操作基于命令字方式完成，分為擦除(erase)和編程(program)兩個階段。由于FLASH的編程指令只能使“1”改為“0”，擦除指令只能使“0”改為“1”，而且，擦除操作不能在字節(jié)或任意數據區(qū)域進行，而必須是一個完整的扇區(qū)，所以向FLASH某位置寫入數據時，要先擦除目標位置所在扇區(qū)的所有數據，然后才能進行編程操作。實際上，只須向特定的寄存器寫入標準的指令序列，具體的擦除和編程過程就可由內部嵌入的算法執(zhí)行。
2．1 設計思想
通常，FLASH寫操作指令下達后，由驅動程序完成命令字的設置。此時，數據被臨時存儲于FLASH的鎖存器中，但系統(tǒng)仍需要保持數據總線直到寫入操作終止或完成才釋放。一個扇區(qū)的擦除是十幾毫秒的時間，一個字節(jié)的寫入是幾微秒的時間，可以看到，數據總線的占用過程消耗了大量的CPU時間。這部分資源的節(jié)約對于嵌入式實時系統(tǒng)來說是必要的。操作系統(tǒng)完全可以在設置寫操作命令字后釋放數據總線，退出FLASH操作，把擦除/編程過程的CPU時間用來執(zhí)行其他指令，等當前命令字執(zhí)行完畢后，通過某個事件的觸發(fā)，使CPU跳轉回來設置下一個命令字。這就是改進FLASH操作過程的設計思想。
2．2 實現過程
觸發(fā)事件選擇和跳轉周期短的控制是問題解決的關鍵，即在一個命令字操作完成后，選用什么方式來觸發(fā)下一個命令字操作。可以考慮的方式主要有掃描方式和中斷方式。
通過掃描方式，當應用程序完成一次完整的處理周期時，掃描某個標志狀態(tài)，判斷FLASH寫入操作是否進行完成。如果完成，則再次設置命令字進行操作。由于程序處理周期取決于應用層業(yè)務處理時間，這種方式會導致觸發(fā)周期不固定。
采用中斷方式，可以通過設置中斷頻率來控制觸發(fā)周期。但必須選擇合適的中斷源，使其精度達到要求并且對系統(tǒng)沒有額外的影響。由于基站系統(tǒng)采用外部GPS時鐘，系統(tǒng)的單板時鐘閑置，其精度對于FLASH操作是足夠的，所以可以考慮選擇CPU時鐘中斷。問題在于VxWorks對該中斷是否有使用。實際上，VxWorks通過該時鐘中斷完成系統(tǒng)記數器，從而在其基礎上實現系統(tǒng)定時器，看門狗定時器，任務分時調度等功能組件。因此，接管時鐘中斷，必須在修改時鐘頻率同時，保證操作系統(tǒng)所需的系統(tǒng)記數器頻率不變。
VxWorks提供sysClkConnect()函數允許時鐘中斷發(fā)生時，根據指定參數掛接用戶定義的中斷處理程序，中斷處理完成后由用戶程序返回。VxWorks提供的usrClock()函數是系統(tǒng)缺省時鐘中斷處理函數，用來調用計數器函數tickAnnounce()，實現系統(tǒng)計數器的作用。時鐘中斷頻率由SYS_CLK_RATE設定，缺省值是60。因此，我們在替換時鐘中斷處理函數時，需要包含操作系統(tǒng)的記數器函數tickAnnounce()，并通過分頻的方法保證tickAnnounce()的調用和時鐘頻率修改前的調用頻率是一致的，從而使操作系統(tǒng)計數器感覺不到時鐘頻率修改和中斷處理函數被替換的區(qū)別。
當然，系統(tǒng)時鐘頻率的設置不能太高，通常時鐘頻率設置為60HZ(或100HZ)，當頻率超過600HZ時，會使內核調度用時比率偏高，而實際任務可用的CPU時間下降，處理器將花費大多數時間來處理時鐘而使系統(tǒng)運行效率下降或不可用。
圖1給出了具體的實現流程圖。sysClkChange()是自定義的系統(tǒng)時鐘頻率調整控制函數，該函數根據入口參數設置系統(tǒng)時鐘中斷頻率，選擇掛接中斷的處理函數flsClock()或usrClock()。自定義的中斷處理函數的flsClock()通過調用usrClock()函數完成系統(tǒng)計數器功能。sysClkRateGet()和sysClkRateSet()函數是VxWorks提供的時鐘頻率設置函數。
flsClock()還需要負責實際的寫入操作。首先檢查上一次中斷處理中的FLASH操作是否已經完成。如果沒有 完成，則返回，并記錄返回次數，若返回次數超過了一定限度，即認為該片FLASH發(fā)生故障，向應用層發(fā)出FLASH故障告警；如果已經完成，則開始進行本次操作，即先確定操作的類型(擦除還是編程)和相關參數(包括目標扇區(qū)序號，目的地址，數據源地址等等)，然后調用驅動程序提供的FLASH操作接口，完成命令字設置等操作。
3． 管理設計
在I/O系統(tǒng)基本結構中，應用程序可以通過符合標準I/O接口的文件系統(tǒng)調用設備驅動程序來操作設備，也可以直接與驅動程序連接來操作設備(VxWorks本身并不支持這種做法)。通常，采用文件系統(tǒng)來操作存取設備的方式，減少了驅動程序必須支持的I/O操作接口函數的數目，在VxWorks開發(fā)中得到廣泛的應用。
VxWorks提供與MS-DOS兼容的dosFs文件系統(tǒng)供I/O接口調用，但dosFs文件系統(tǒng)本質上容易受到某種類型磁盤故障的影響，導致更新過程中數據結構不一致性，而且，dosFs文件系統(tǒng)是一個不考慮容錯性能的文件系統(tǒng)，沒有考慮FLASH操作的特殊性，對于底層驅動程序中FLASH命令字方式導致的寫入錯誤無法處理。作為VxWorks的可選組件，M-System公司為VxWorks定制的TrueFFS組件提供了面向FLASH的專用文件系統(tǒng)。
TrueFFS文件系統(tǒng)使用block-to-flash轉換系統(tǒng)將閃存抽象為普通塊設備?；趧討B(tài)維護的映射圖使FLASH索引成一系列連續(xù)塊。進行數據寫入時，如果目標塊已寫有數據，TrueFFS另找空閑區(qū)寫入，待數據安全寫入后，TrueFFS更新映射圖，將該塊指向寫入的新FLASH地址。TrueFFS文件系統(tǒng)機制非常完善，但基站系統(tǒng)對FLASH功能要求比較單一，存儲的數據文件類型和存儲方式相對單一，TrueFFS文件系統(tǒng)并不能發(fā)揮其強大功能，反而降低了系統(tǒng)的性能。
3．1 設計思想
參考dosFs文件系統(tǒng)和TrueFFS文件系統(tǒng)的管理方法，選取其中重要功能重新設計，實現一個應用層可控的FLASH管理方案。把FLASH劃分為管理區(qū)和數據區(qū)兩部分進行組織管理。其中管理區(qū)存放文件管理信息，數據區(qū)存放數據文件。為了防止在修改管理區(qū)的過程中掉電，在存儲區(qū)的兩端設置雙備份的管理區(qū)。
我們將FLASH最小管理單位定義為一個FLASH扇區(qū)（塊）。進行FLASH操作之前，先將目標扇區(qū)內容備份到內存，在內存中修改完畢后再固化到FLASH。管理區(qū)和數據區(qū)占用的空間是扇區(qū)的整數倍，這樣才不會在更新某些數據的同時，造成對已有數據的修改。對于比較小的文件，可能小于一個扇區(qū)的空間，導致FLASH空間的浪費，但避免了因為共享同一扇區(qū)造成不同文件操作之間的相互影響，降低數據被破壞的可能性，簡化管理策略。
3．2 實現過程
根據文件管理方案，假定用戶可修改的FLASH塊數為512，其中前后兩個管理區(qū)占用64塊，數據區(qū)可用448塊。FLASH管理區(qū)需要包含的內容如表1所示。
任何時刻，處于活動狀態(tài)的管理區(qū)只有一個。在更新數據的時候，首先更新處于活動狀態(tài)的管理區(qū)，然后寫入數據文件，等待寫入穩(wěn)定后，更新另一個管理區(qū)，然后將另一個管理區(qū)置為當前活動狀態(tài)，原先管理區(qū)置為非活動狀態(tài)。這樣可以保證在數據文件寫入失敗時，通過兩個管理區(qū)管理信息的一致性來識別數據的有效性。
FLASH塊列表的每個字節(jié)對應一個扇區(qū)的占用情況，1表示該扇區(qū)已分配，0表示該扇區(qū)未分配，0xff表示該扇區(qū)壞死，不能使用。
文件信息記錄位置按照系統(tǒng)配置好的處理機數目采用固定順序存放。更新任何一個數據文件之前，要更新該文件的信息記錄，確定該文件操作狀態(tài)，版本信息和存放位置。具體的組織結構如表2所示。
系統(tǒng)需要從FLASH讀取數據時，首先比較 兩個FLASH管理區(qū)管理信息是否一致。如果一致，認為數據有效，直接讀??；如果不一致，則說明存在FLASH操作異常，向系統(tǒng)操作維護控制臺(OMC)告警，并通知應用程序請求向OMC下載寫入新的數據文件。當需要刪除FLASH上數據文件時，只需將管理區(qū)中該文件操作狀態(tài)置成“無效”，并將其占用的扇區(qū)置成“未分配”狀態(tài)，然后更新FLASH管理區(qū)信息即可。
這里沒有給出碎片收集和垃圾數據處理的機制，實際上，刪除操作所實現的功能即有回收垃圾數據所在扇區(qū)的作用，并且由應用層控制，實現了系統(tǒng)可控性。對于FLASH中存在的碎片，由于我們采取的是以扇區(qū)為單元進行數據管理的，數據文件的存儲空間是整數塊，而且塊列表可以不連續(xù)，所以不存在碎片的問題，從而就巧妙的避免了碎片收集的復雜性。
4． 總結
本文介紹的FLASH操作方法以及與之配套的文件管理方案，為系統(tǒng)運行節(jié)省了可觀的時間，可以很好的解決了業(yè)務運行與數據備份之間對系統(tǒng)資源占用的矛盾，對于FLASH操作相對頻繁和數據備份實時性要求較高的系統(tǒng)，都是適用的。
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