NAND Flash上均勻損耗與掉電恢復(fù)在線測(cè)試

　　摘要 NAND Flash以其大容量、低價(jià)格等優(yōu)勢(shì)迅速成為嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)的新寵，因此其上的文件系統(tǒng)研究也日益廣泛，本文簡(jiǎn)要介紹了常用的NAND Flash文件系統(tǒng)YAFFS，并針對(duì)YAFFS在均勻損耗和掉電恢復(fù)方面進(jìn)行在線測(cè)試。在給出測(cè)試結(jié)果的同時(shí)，著重研究嵌入式軟件測(cè)試方案和方法;對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)方案和適用環(huán)境。

　　關(guān)鍵詞 NAND Flash 均勻損耗 軟件測(cè)試 YAFFS

　　引 言

　　隨著嵌入式技術(shù)在各種電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究課題。Flash存儲(chǔ)器具有速度快、容量大、成本低等很多優(yōu)點(diǎn)，因此在嵌入式系統(tǒng)中被廣泛用作外存儲(chǔ)器件。嵌入式系統(tǒng)中的Flash存儲(chǔ)器需要有自己的文件系統(tǒng)，而不能直接移植通用文件系統(tǒng)，主要有兩個(gè)原因：第一，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用條件惡劣，電源電壓不穩(wěn)定，突發(fā)性斷電以及非法插拔都容易造成災(zāi)難性的影響，通用文件系統(tǒng)對(duì)于可靠性的設(shè)計(jì)考慮不足;第二，通用文件系統(tǒng)的記錄信息(如FAT表)需要被多次修改，而記錄信息放在Flash存儲(chǔ)器固定的區(qū)塊中，將導(dǎo)致該區(qū)塊的頻繁操作，從而縮短Flash器的使用壽命。這樣就對(duì)軟件技術(shù)提出了更高的要求。

　　為了管理復(fù)雜的存儲(chǔ)硬件，同時(shí)提供可靠高效的存儲(chǔ)環(huán)境，出現(xiàn)了基于NAND和NOR的文件系統(tǒng)。目前主流的FFS(Flash File System)有如下3種：TrueFFS、JFFSx以及YAFFS。YAFFS(Yet Another Flash File System)是專門為NAND Flash設(shè)計(jì)的嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲(chǔ)設(shè)備。它是日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，提供了損耗平衡和掉電保護(hù)等機(jī)制，可以有效地減小上述原因?qū)ξ募到y(tǒng)一致性和完整性的影響。本文正是基于這樣的前提，介紹了關(guān)于嵌入式Y(jié)AFFS文件系統(tǒng)測(cè)試方案，針對(duì)文件系統(tǒng)中損耗平衡和掉電保護(hù)兩個(gè)重要的系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的測(cè)試與分析，不同的應(yīng)用環(huán)境使用該文件系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的修改。

　　1 YAFFS文件系統(tǒng)概述

　　YAFFS文件系統(tǒng)類似于JFFS/JFFS2文件系統(tǒng)。不同的是，JFFSl/2文件系統(tǒng)最初是針對(duì)NOR Flash的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)汁的，而NOR Flash和NAND Flash本質(zhì)上有較大的區(qū)別。盡管JFFSl/2文件系統(tǒng)也能應(yīng)用于NANDFlash，但由于它在內(nèi)存占用和啟動(dòng)時(shí)間方面針對(duì)NOR的特性做了一些取舍，所以對(duì)NAND來(lái)說(shuō)通常并不是最優(yōu)的方案。

　　1.1 NOR和NAND的比較

　　基本上NOR比較適合存儲(chǔ)程序代碼，其容量一般較小(比如小于32 MB)，且價(jià)格較高;而NAND容量可達(dá)lGB以上，價(jià)格也相對(duì)便宜，適合存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，128 MB以下容量NAND Flash芯片的一頁(yè)大小為512字節(jié)，用來(lái)存放數(shù)據(jù)，每一頁(yè)還有16字節(jié)的備用空間(SpareData)，充當(dāng)OOB(Out Of Band)區(qū)域，用來(lái)存儲(chǔ)ECC(Error Correction Codc)校驗(yàn)/壞塊標(biāo)志等信息;再由若干頁(yè)組成一個(gè)塊，通常一塊為32頁(yè)(16 KB)。與NOR相比，NAND不是完全可靠的。每塊芯片出廠時(shí)允許有一定比例的壞塊存在，對(duì)數(shù)據(jù)的存取不是使用線性地址映射，而是通過寄存器的操作串行存取數(shù)據(jù)。

　　1.2 YAFFs數(shù)據(jù)在NAND上的存儲(chǔ)方式

　　YAFFS根據(jù)NAND閃存以頁(yè)為單位存取的特點(diǎn)，將文件組織成固定大小的數(shù)據(jù)段。利用NAND閃存提供的每頁(yè)16字節(jié)的備用空間來(lái)存放ECC檢驗(yàn)信息和文件系統(tǒng)的組織信息，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)和壞塊處理，而且能夠提高文件系統(tǒng)的加載速度。

　　YAFFS將文件組織成固定大小(512字節(jié))的數(shù)據(jù)段。每個(gè)文件都有一個(gè)頁(yè)面專門存放文件頭，文件頭保存了文件的模式、所有者id、組id、長(zhǎng)度、文件名等信息。為了提高文件數(shù)據(jù)塊的查找速度，文件的數(shù)據(jù)段組織成樹形結(jié)構(gòu)。YAFFS在文件進(jìn)行改寫時(shí)，總是先寫入新的數(shù)據(jù)塊，然后將舊的數(shù)據(jù)塊從文件中刪除。YAFFS使用存放在頁(yè)面?zhèn)溆每臻g中的ECC進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，出現(xiàn)錯(cuò)誤后會(huì)進(jìn)行一定次數(shù)的重試;多次重試失敗后，該頁(yè)面就被停止使用。以(512+16)字節(jié)為一頁(yè)的NAND Flash芯片為例，YAFFS文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)布局如圖1所示。

　　2 YAFFS文件系統(tǒng)測(cè)

　　2.1 測(cè)試總體說(shuō)明

　　YAFFS文件系統(tǒng)是開源的，測(cè)試基于白盒測(cè)試。在所關(guān)心的代碼段中，插入測(cè)試代碼。為保證測(cè)試代碼不對(duì)原代碼造成影響，測(cè)試后可立即恢復(fù)為原代碼，所有測(cè)試代碼(包括測(cè)試用變量和函數(shù))均嵌入到#define FS_TEST宏定義中。

　　2.2 模擬文件的生成

　　嵌入式環(huán)境下對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行大量、長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試存在很多問題，不易實(shí)現(xiàn)，對(duì)測(cè)試代碼的插入和數(shù)據(jù)的監(jiān)視也比較困難。這里采用PC模擬測(cè)試的形式，用文件的讀/寫模擬NAND器件，并在PC上對(duì)模擬文件監(jiān)視，以達(dá)到測(cè)試的目的。代碼定義了各種NAND器件的類型，以適應(yīng)不同的器件。模擬器件時(shí)，也用這些信息生成相應(yīng)的模擬文件。

　　指明要模擬的NAND器件的大小(FILE_SIZE_IN_MEG)和結(jié)構(gòu)(BLOCKS_PER_MEG，BLOCK_SIZE)后，按照相應(yīng)的大小和結(jié)構(gòu)生成文件g_filedisk。

　　3 均勻損耗測(cè)試

　　3.1 測(cè)試目的

　　NAND Flash器件每個(gè)Block區(qū)塊的擦寫次數(shù)有限。在需要實(shí)時(shí)記錄的應(yīng)用環(huán)境中，為保證器件壽命，應(yīng)盡量使每個(gè)區(qū)塊的擦寫次數(shù)相對(duì)平均.以最大程度地延長(zhǎng)NAND Flash器件的使用壽命。此項(xiàng)測(cè)試記錄每個(gè)Block區(qū)塊的擦寫次數(shù)，以測(cè)試YAFFS文件系統(tǒng)在均勻損耗方面的性能。

　　3.2 測(cè)試方法

　　測(cè)試代碼在器件模擬文件的每一頁(yè)的Spare區(qū)后，增加了字節(jié)，用于記錄該頁(yè)的擦寫次數(shù)。由于擦寫是以Block為單位進(jìn)行的，因此每個(gè)Block各頁(yè)的擦寫記錄數(shù)是相同的。在以后的測(cè)試中,可以只使用第一頁(yè)的該Block空間記錄擦寫次數(shù)，其他空間作其他測(cè)試用。

　　測(cè)試代碼插入到CheckInit()和yaffs_FEEraseBlockInNAND()(yaffs_fileem.cpp)中，在初始化器件模擬文件時(shí),生成(新模擬文件)或讀取(己有模擬文件)擦寫次數(shù);并在程序執(zhí)行擦寫函數(shù)時(shí)，對(duì)擦寫次數(shù)進(jìn)行累加和保存。

　　測(cè)試程序甩到的測(cè)試變量;記錄擦寫次數(shù)的數(shù)組-g_ersNumArray[FILE_SIZE_IN_MEG*BLOCKS_PER_MEG]、指向擦寫的最大值-g_pErsMax和指向擦寫的最小值-g_pErsMin。

　　測(cè)試程序用WireOut0.log和WireOutl.log兩個(gè)文件記錄每個(gè)Block區(qū)塊的擦寫次數(shù)，查看這兩個(gè)文件，可以看到每個(gè)區(qū)塊的擦寫次數(shù)以及最大/最小值。兩個(gè)文件是等同的，因測(cè)試時(shí)間比較長(zhǎng)，取兩個(gè)文件以避免系統(tǒng)在寫記錄文件時(shí)出錯(cuò)，而丟失所有的記錄;兩個(gè)文件輪流寫，保證至少有一個(gè)文件的內(nèi)容是系統(tǒng)出錯(cuò)前最近的記錄。

　　3.3 測(cè)試結(jié)果

　　YAFFS文件系統(tǒng)按“順序”使用未分配的空間用于新的寫入操作，并以同樣“順序”擦除廢棄的區(qū)塊。寫入和擦除操作，均按順序在未分配的空間或廢棄的空間中進(jìn)行。當(dāng)系統(tǒng)未用空間小于某一預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)將對(duì)存在廢棄頁(yè)的區(qū)塊進(jìn)行回收。這種寫入和擦除策略在一定程度上保證了損耗的均勻性。

　　這種機(jī)制雖然在一定程度上滿足均勻損耗的要求，但還是存在問題，并不適用于所有的嵌入式應(yīng)用環(huán)境。假設(shè)在一塊16MB的NAND器件上，有10MB空間用來(lái)存放相對(duì)固定、不經(jīng)常修改的數(shù)據(jù)文件，則經(jīng)常修改的文件只能在剩下的6 MB空間上重復(fù)擦寫，在這6 MB空間上做到“均勻損耗”。對(duì)整個(gè)器件來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)并沒有合適的搬移策略對(duì)固定文件進(jìn)行搬移，整個(gè)器件做不到均勻損耗。在實(shí)時(shí)記錄信息量比較大的應(yīng)用環(huán)境中，應(yīng)編寫相應(yīng)的搬移策略函數(shù)，對(duì)固定文件進(jìn)行定期的搬移，以確保整個(gè)NAND器件的均勻損耗。

　　4 掉電恢復(fù)性能測(cè)試

　　4.1 測(cè)試目的

　　文件系統(tǒng)應(yīng)能保證在系統(tǒng)突然斷電的情況下，最大限度地恢復(fù)(保護(hù))有用數(shù)據(jù)。如果在修改一個(gè)文件時(shí)掉電，那么掉電后的文件保護(hù)方式根據(jù)實(shí)際情況可分為3種：

　?、儆门f文件完全代替新寫文件，新寫文件(沒寫完)被忽略。這種保護(hù)方式應(yīng)用比較多，比如在更新設(shè)置時(shí)掉電，使用掉電前的設(shè)置，用戶是可以接受的。

　?、谟眯挛募耆媾f文件(新文件寫了多少就保留多少)。這種保護(hù)方式適合應(yīng)用于文本的情況，比如短信。新短信雖然不完整，但根據(jù)情況用戶可以得到部分信息，如果發(fā)送方信息完整或?qū)儆诳刹聹y(cè)的情況，則可以要求發(fā)送方重發(fā)。

　?、奂簩懖糠钟眯挛募?，未寫部分用老文件，所謂“新加舊”的保護(hù)方式。這種保護(hù)方式可以應(yīng)用在動(dòng)態(tài)更新的文件上。但是，對(duì)于使用偏移量進(jìn)行的文件讀寫操作，采用這種保護(hù)方式，會(huì)產(chǎn)生亂碼。

　　4.2 測(cè)試方法

　　測(cè)試代碼隨機(jī)產(chǎn)生掉電消息，模擬一次掉電行為。測(cè)試代碼插入到y(tǒng)affs_FEWriteChunkToNAND()(yaffs_fileem.cpp)中，在寫Data區(qū)和Spare區(qū)時(shí)分別產(chǎn)生隨機(jī)掉電位置，模擬掉電行為。掉電后，程序重新掛接文件系統(tǒng)，并讀取掉電時(shí)正在更新的文件，與原文件相比給出判定結(jié)果。

　　程序用到的測(cè)試變量：掉電類別-g_tstPowerOff，1為Data區(qū)掉電，2為Spare區(qū)掉電。在完全模擬時(shí)，掉電類別隨機(jī)產(chǎn)生。程序用TestLog.log記錄掉電后判定的結(jié)果。TestLog.log為增加方式打開，新記錄寫在最后，不影響原有的記錄結(jié)果。

　　4.3 測(cè)試手段

　　模擬一次“掉電”行為，需要進(jìn)行特殊的處理。實(shí)際的掉電行為在電源重新供給后，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)重新開始，包括重薪啟動(dòng)文件系統(tǒng)。掉電前系統(tǒng)的所有參數(shù)、系統(tǒng)堆棧以及現(xiàn)場(chǎng)均失效。在測(cè)試中模擬掉電行為有一定的難度，直接斷電既不安全，也不現(xiàn)實(shí)，可用exit()函數(shù)中止程序來(lái)模擬。在執(zhí)行寫操作時(shí)，寫入隨機(jī)的字節(jié)數(shù)后，用exit()函數(shù)立即中止程序的運(yùn)行;再重新啟動(dòng)程序，讀取掉電時(shí)寫入的文件，分析文件以檢查文件系統(tǒng)新的掉電保護(hù)功能。

　　上述測(cè)試手段不適用于自動(dòng)測(cè)試，也不可能手工進(jìn)行大量的測(cè)試。筆者在該項(xiàng)測(cè)試中，巧妙地使用了try{}和catch(}結(jié)構(gòu)，既模擬了實(shí)際的掉電行為，又保證了自動(dòng)測(cè)試的順利進(jìn)行。

　　模擬掉電行為的核心代碼如下：

　　4.4 測(cè)試結(jié)果

　　YAFFS-NAND文件系統(tǒng)，只提供上述的②和③兩種文件保護(hù)方式。在打開文件時(shí)，若以“截短為0”的方式打開已有文件，則保護(hù)方式為第②種，使用新文件完全代替舊文件。若以修改的方式打開己有文件，則保護(hù)方式為第③種，使用新加舊的保護(hù)方式。

　　需要注意的是：在數(shù)據(jù)區(qū)掉電的情況下，以上兩種保護(hù)方式完好，測(cè)試通過。但在Spare區(qū)掉電的情況下，文件系統(tǒng)有很大的概率讀不出掉電時(shí)的文件，幾乎不能正常使用。在實(shí)際掉電情況中，按Data區(qū)和Spare區(qū)的比例關(guān)系(512：16)，寫操作掉電時(shí)發(fā)生在Spare區(qū)的概率為3.03%，不可接受。另外，文件系統(tǒng)不提供舊文件的保護(hù)方式，對(duì)于這類應(yīng)用(還是比較多的)需要另外實(shí)現(xiàn)。

　　4.5 對(duì)Yaffs-NAND在掉電保護(hù)方面的改進(jìn)

　　4.5.1 增加保護(hù)方式

　　Yaffs-NAND文件系統(tǒng)在原理上決定了只能有上述的②和③兩種文件保護(hù)方式。要提供第一種保護(hù)方式，需要對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，增加2個(gè)函數(shù)和2個(gè)結(jié)構(gòu)體：

　　EOnlyOld、EOnlyNew、ENewOld和EDefault分別表示3種不同的保護(hù)方式和默認(rèn)保護(hù)方式(由原文件系統(tǒng)提供)。SProInfo結(jié)構(gòu)不僅記錄保護(hù)方式，還記錄了該文件名，供關(guān)閉文件時(shí)使用。

　　yaffs_openEx()根據(jù)傳入的保護(hù)方式，修改打開文件的標(biāo)志，以顯式地設(shè)置原有的②、③兩種保護(hù)方式。當(dāng)保護(hù)方式為EOnIyold時(shí)，yaffs—openEx()將打開另一個(gè)新的臨時(shí)文件，并返回給用戶使用。傳入的SProlnfo結(jié)構(gòu)的指針，將帶回文件名和文件句柄，供關(guān)閉文件時(shí)用。yaffs_closeEx()函數(shù)在關(guān)閉文件時(shí)，檢查文件的保護(hù)方式。若為第②、③種情況，則直接關(guān)閉;若為第一種情況，則先刪除原文件，再把新文件重新命名，以達(dá)到文件保護(hù)的目的。

　　使用方法如下：

　　①使用默認(rèn)方式，則與原文件系統(tǒng)使用方法相同。新參數(shù)默認(rèn)為NULL，可以直接兼容己有代碼。

　?、谑褂脭U(kuò)展方式，則要先生成一個(gè)SProInfo的對(duì)象，但將其指針傳給yafffs_openEx()。關(guān)閉時(shí)同樣要將其指針傳給yaffs_closeEx()。例如：

　　對(duì)進(jìn)行上述改進(jìn)后的擴(kuò)展方法進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果同改進(jìn)前;但增加了只保留舊文件的第一種保護(hù)方式，程序運(yùn)行良好。

　　4.5.2 Spare區(qū)掉電不能恢復(fù)的修改

　　對(duì)源代碼進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)在Spare區(qū)掉電不能恢復(fù)的問題出在Spare區(qū)的Tag信息自檢驗(yàn)部分。yaffs_GetTagsFromSpare()函數(shù)從Spare區(qū)讀取Tag信息的過程中，調(diào)用yaffs_CheckECCOnTags()檢驗(yàn)Tag信息。但是，原代碼對(duì)ECC校驗(yàn)錯(cuò)誤的Spare區(qū)，只是將錯(cuò)誤修正，并返回到}層函數(shù);上層函數(shù)僅記錄’Fag出錯(cuò)次數(shù)，并不做處理。因此，在SpareⅨ掉電時(shí).會(huì)出現(xiàn)不可恢復(fù)的錯(cuò)誤。

　　修改yaffs_GetTagsFromSpare()函數(shù)的返回類型為int，以返回Spare區(qū)的ECC校驗(yàn)錯(cuò)誤信息。當(dāng)yaffs_CheckECCOnTags()返回Tag校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，yaffs_Get-TagsFromSpare()函數(shù)將此錯(cuò)誤返回。在調(diào)用此函數(shù)的地方，進(jìn)行相應(yīng)的修改：當(dāng)Spare區(qū)ECC出錯(cuò)時(shí)，調(diào)用yaffs_DeleteChunk()，刪除該頁(yè)。因掉電引發(fā)的Spare錯(cuò)誤不可恢復(fù)的問題，經(jīng)修改后運(yùn)行良好。

　　結(jié)語(yǔ)

　　YAFFS文件系統(tǒng)是專門為NAND閃存而設(shè)計(jì)的，它使得價(jià)格低廉的NAND閃存芯片具有了高效性和健壯性;但YAFFS文件系統(tǒng)在性能上還存在著問題，并不完全適用于對(duì)性能苛求的嵌入式系統(tǒng)。本文針對(duì)YAFFS文件系統(tǒng)中均勻損耗和掉電恢復(fù)兩個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，給出了測(cè)試結(jié)果，并針對(duì)測(cè)試過程中存在的部分問題提出了改進(jìn)方案。實(shí)際測(cè)試表明，改進(jìn)后系統(tǒng)性能有明顯改善，能適應(yīng)更多的應(yīng)用環(huán)境。