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嵌入式系統(tǒng)中的Flash存儲(chǔ)管理
摘要：以TRI公司的基于NOR Flash的Flash管理軟件FMM為例，詳細(xì)介紹嵌入式系統(tǒng)中如何根據(jù)Flash的物理特性來進(jìn)行Flash存儲(chǔ)管理。引言
在當(dāng)前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC（Post-PC）時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文件藝術(shù)、娛樂業(yè)以及人們的日常生活等方方面面中。隨著嵌入式系統(tǒng)越來越廣泛的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理已經(jīng)成為一個(gè)重要的課題擺在設(shè)計(jì)人員面前。
Flash存儲(chǔ)器作為一種安全、快速的存儲(chǔ)體，具有體積小、容量大、成本低、掉電數(shù)據(jù)不丟失等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)逐步取代其它半導(dǎo)體存儲(chǔ)元件，成為嵌入式系統(tǒng)中主要數(shù)據(jù)和程序載體。
作為嵌入式系統(tǒng)的一部分，F(xiàn)lash存儲(chǔ)管理的主要功能是針對(duì)Flash自身的物理特性，利用一些特定的算法來提高Flash的使用效率，加快操作速度和管理Flash各單元的使用頻率。
1 Flash存儲(chǔ)器簡介
嵌入式系統(tǒng)中使用的Flash主要分為NOR和NAND兩種類型。這里我們以NOR型Flash為例進(jìn)行介紹。NOR型Flash主要特點(diǎn)如下：
*體積小、容量大，目前可以達(dá)到十幾MB。
*掉電數(shù)據(jù)不丟失，數(shù)據(jù)可以保存10～100年。
*有獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線，可以快速地通過總線讀取數(shù)據(jù)。因此它具有和靜態(tài)RAM相同的讀取速度，既可以作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也可以作為程序存儲(chǔ)器使用。
*寫入操作必須通過指令序列來完成，以字節(jié)（Byte）或字（Word）為單位，每寫入一個(gè)Byte或Word需十幾μs。
*擦除也通過指令序列完成，以塊（Block）為單位，通常塊的大小為64K。每擦除一個(gè)塊需要十幾ms。
*由于Flash有一定的使用壽命，一般為10～100萬次。所以隨著使用次數(shù)的增加，會(huì)有一些單元逐漸變得不穩(wěn)定或失效，因此必須能夠?qū)ζ錉顟B(tài)加以識(shí)別。
2 Flash存儲(chǔ)管理的作用
由Flash特點(diǎn)可以看出，操作Flash需要注意以下幾點(diǎn)：
*必須以幾K～幾十K的塊為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作；
*擦除操作耗時(shí)較多，應(yīng)減少擦除操作；
*盡量避免頻繁地對(duì)同一地址操作，以免造成局部單元提前損壞。
另外，大部分嵌入式操作系統(tǒng)所掛接的文件系統(tǒng)是建立在以扇區(qū)（Sector）為單位的磁盤操作基礎(chǔ)上（通常為512字節(jié)/扇區(qū)）。因此也需要一段特殊的Flash存儲(chǔ)管理程序來解決以扇區(qū)為單位的文件系統(tǒng)接口和以塊為單位的Flash物理特性之間的矛盾；同時(shí)，完成各塊之間的擦寫次數(shù)均衡和壞塊管理等工作。Flash存儲(chǔ)管理程序在系統(tǒng)中的位置如圖1所示。
本文以TRI公司的FMM為例，說明Flash存儲(chǔ)管理模塊和如何完成這些功能的。
3 FMM介紹
FMM（Flash Media Manager）是由TRI公司開發(fā)的專門針對(duì)NOR型Flash的管理軟件，其主要特點(diǎn)如下：
*動(dòng)態(tài)映射OS的邏輯扇區(qū)到物理地址；
*所有物理塊進(jìn)行壽命均衡，同時(shí)可記錄Flash的擦寫次數(shù)；
*掉電數(shù)據(jù)恢復(fù)，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；
創(chuàng)建壞塊表進(jìn)行壞塊管理，保證系統(tǒng)的可靠性。
為了更好地介紹FMM的操作流程，這里先作幾點(diǎn)說明。
（1）存儲(chǔ)空間管理
為了實(shí)現(xiàn)以扇區(qū)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)管理，F(xiàn)MM首先對(duì)Flash中的塊內(nèi)存儲(chǔ)空間邏輯上進(jìn)行了重新定義，每個(gè)物理塊內(nèi)部又重新劃分成了若干物理扇區(qū)。每個(gè)物理塊內(nèi)部又重新劃分成了若干物理扇區(qū)。每個(gè)物理扇區(qū)由512 4字節(jié)=516（0x204）字節(jié)組成。512字節(jié)為有效數(shù)據(jù)空間，另外4字節(jié)（32位）用于存放邏輯扇區(qū)另和當(dāng)前狀態(tài)。定義如下：
扇區(qū)狀態(tài)邏輯扇區(qū)號(hào)數(shù)字空間4位28位125字節(jié)扇區(qū)狀態(tài)有4種，用于進(jìn)行掉電數(shù)據(jù)恢復(fù)：
FREE—空扇區(qū)（0xF）；
DVALID—扇區(qū)數(shù)據(jù)無效（0xE）；
INUSE—扇區(qū)數(shù)據(jù)有效（0xC）；
DIRTY—扇區(qū)數(shù)據(jù)無用，可擦除（0x8）。
以64K大小的塊為例，可以計(jì)算出每個(gè)塊中可以劃分出127個(gè)扇區(qū)；另外，還會(huì)有4字節(jié)的空間，專門用于標(biāo)志下一個(gè)被整理塊。標(biāo)記為0x80，否則為0xffffffff。
因此可以得出物理扇區(qū)和絕對(duì)地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：
絕對(duì)地址=Flash基地址 物理扇區(qū)號(hào)×0x204 所在塊號(hào)×4
（2）扇區(qū)分類
FMM中將扇區(qū)分為ID扇區(qū)和數(shù)據(jù)扇區(qū)兩類：
①FMM會(huì)占用N個(gè)扇區(qū)作為標(biāo)識(shí)ID（Identification）扇區(qū)，占用邏輯扇區(qū)號(hào)0～N。這一部分扇區(qū)是文件系統(tǒng)不能使用的，是FMM用于管理所占用的存儲(chǔ)空間。因此文件系統(tǒng)所管理的邏輯扇區(qū)號(hào)必須從N 1開始。
ID扇區(qū)主要包含如下數(shù)據(jù)：FMM版本號(hào)、寫入（擦除）次數(shù)EraseCount、用戶標(biāo)識(shí)和壞扇區(qū)表。
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