嵌入式系统中的线性Flash文件系统设计.doc

嵌入式系统中的线性Flash文件系统设计嵌入式系统中的线性Flash文件系统设计 嵌入式系统论文 嵌入式系统中的线性Flash文件系统设计 摘要：设计一种能够在典型嵌入式环境下应用的线性文件系统，为嵌入式系统Flash空间的管理提供一种非常有效的手段。它包装和通用文件系统类似的API接口，设计的实现独立于实时操作系统（RTOS）和具体的Flash典型，可方便移植到不同的嵌入式应用中。在嵌入式系统中，为了便于对闪存（Flash）空间进行管理，会采用文件的形式来访问Flash。目前，可以购买到的Flash文件系统一般都是兼容DOS的文件系统（Flash File System，FFS），这对需要一个具有复杂的目录层次，并且DDS文件兼容的系统来说是必要的；但是对大多数的嵌入式应用来说，这种文件系统太过奢侈。笔者在参与嵌入式系统项目的时候，设计了一种线性文件系统，它适用于大多数的嵌入式应用对Flash文件系统的需求。线性文件系统设计基于三个目标：一是提供给应用程序通过文件名而不是char infoINFOSIZE; /*文件描述信息*/;碎片整个记录区包含两种数据类型：碎片整理文件头信息表defraghdr和文件区扇区整理前后的CRC值备份表sectorcre。具体的地址分配从空闲扇区的起始地址减1开始，往前分配文件系统扇区数乘以4字节作为sectorcrc的空间；从sectorcrc起始地址减1开始，往前分配活动文件个数乘以64字节作为碎片整理文件头信息表。这两个结构定义如下：struct defraghdrstruct hdr *ohdr; /*文件头的原始位置指针*/struct hdr *nextfile; /*指向下一个文件的指针*/long filsize; /*文件大小*/unsigned long crc; /*这个头的CRC32值*/unsigned long ohdrcrc; /*原始文件头CRC32值的拷贝*/long idx; /*碎片整理表头的索引*/long nesn; /*新的文件尾的扇区号*/long neso; /*新的文件尾的扇区偏移量*/char *nda; /*新的文件起始地址*/char fnameNAMESIZE; /*文件名*/;struct sectorcrcunsigned long precrc; /*碎片整理前扇区数据CRC32的值*/unsigned long postcrc; /*碎片整理后扇区数据CRC32的值*/；从上面介绍可知，除了文件数据之外，文件系统还需要如下4种额外的开销。文件头：这是每个文件必须的开销，如果文件名和信息域各24字节，那么整个文件头共76字节。碎片整理文件头信息表：每个活动（非删除）的文件在进行碎片整理时在这个表里创建一个表项，每个表项64字节。碎片整理前后的扇区CRC32值表：保存文件整理前后的CRC32值，总的字节数约为文件所占扇区数的4倍。空闲块：用来在碎片整理过程中备份当前整理扇区数据。它必须不小于文件系统其它所有扇区。可以用下面方程计算系统开销的总和：overhead=(FTOT*(HDRSIZE+64)+SPARESIZE+(SECTORCOUNT*8)其中：FTOT是总的文件数；HDRSIZE是文件头字节数（目前为76字节）；SPARESIZE是空闲块的大小；SECTORCOUNT是分配给文件系统的Flash扇区数，不包括空闲块。图2 文件碎片整理2 碎片整理创建新文件需要占用文件系统空间；但是，由于Flash的底层技术不允许Flash中的任意地址空间被删除，而是按照扇区为单位删除，为此在删除一个文件的时候，暂时没有把整个文件所占的空间删除，仅仅是在文件头的标识里作一个删除标识，并保留在Flash中。这样，被删除文件积累到一定的数量时，就会占用相当大的空间。因此，需要整理文件系统Flash空间，使被删除文件占用的空间重新使用。图2显示了碎片整理过程。文件F1、F2和F5已经被删除，并且在碎片整理之后从Flash中被清除。进行碎片整理的方法可以有多种。对于嵌入式系统来说，选择哪种方法，衡量的依据是复杂性和功能之间的平衡。下面讨论两种不同的方法：第一种方法相当简单，但是有缺陷；第二种方法功能强大得多，笔者在线性文件实现中即采用这种方法。当然，存在更加复杂的解决办法，但通常的情况是，所添加的复杂性会使整个文件系统的实现更加复杂。目标是保持文件存储的简单和线性，保证所有的文件都是以连续的空间存储在Flash中。最简单的方法是将活动的文件备份在RAM中，删除分配给文件系统的Flash空间，然后将RAM中备份的所有文件拷贝回Flash。这种方法很简单，并且不需要分配一个扇区作为空闲区；但问题是，需要有一整块和分配给文件系统的空间一样大的RAM来完成这项工作。更糟的是，如果此时系统被复位，或者在删除扇区内容却还没有将文件拷贝回Flash的时候被断电，文件系统将会崩溃。因为RAM中的内容会随之选择，文件内容会被破坏掉。我们在文件系统实现设计了一种碎片整理方法，可以防止在碎片整理过程中系统复位导致文件崩溃的情况。采用这种方法，不需要大块的RAM，但是需要预选先分配给碎片整理过程一个Flash扇区作为备份区。这个扇区的字节数不小于任何分配给文件系统的扇区。在整个文件系统中，这个扇区位于分配给文件系统最后一个扇区的下一个扇区。因为扇区可能比需要分配给非删除文件的备份的空间要小，所以它必须逐个扇区进行处理，而不是一下就把所有的碎片整理完。采用备份扇区的好处是，在碎片整理过程中，无论断电或者复位都不会破坏文件系统。当下次系统重新恢复时，会根据在碎片整理前记录的每个扇区碎片整理前后CRC值，来判断当前的文件碎片整理状态。如果上次文件整理没有完成，就会继续上次的整理。这种技术的一个缺陷是空闲扇区的擦写次数会较多。这样空闲扇区就可能因为达到擦写寿命而失败。达到这一点的关键依赖于使用的Flash、所分配给文件系统的扇区数、文件删除和重建的频率。一个可行的解决办法采用电池备份的RAM来替换空闲扇区，可以增加Flash的整体寿命，但是对那些预算紧张的应用来说太过奢移。具体的碎片整理过程是，首先建立碎片整理区。为每个扇区建立2个CRC32表项；第一个CRC32是这个扇区在碎片整理前的CRC值；第二个CRC32值是计算出来的碎片整理后的CRC32值。这些CRC是当碎片整理过程被打断时，用来重新恢复整理用的。创建碎片整理文件头信息表，每个活动的文件占用一个表项。计算和的CRC值，并保存。的数据保存在图1中的碎片整理记录区。第二步是文件重定位；遍历文件系统的每个扇区，处理重新定位后存储空间和该扇区相覆盖的文件。在每个扇区被重写之前，扇区原来的信息被保存在空闲扇区里。第三步，擦除Flash；遍历未使用的扇区，确认所有的扇区被删除。第四步，完整性检测：对新的文件进行检测，保证所有重定位的文件都是完整的。3 应用分析Flash的扇区有最大擦写次数。当前的Flash芯片一般支持10万100万次的擦除。文件系统的应用各不相同，所以这里不能下结论说采用线性文件系统Flash的寿命会有多长。下面解释文件系统访问Flash的方法。这样用户可以根据应用来判断Flash的预期寿命。我们所设计的线性文件系统并不进行扇区删除次数均衡，以延长Flash的使用寿命。如果所需要的文件系统频繁修改并需要扇区删除次数均衡，可以购买现成的Flash文件系统。扇区删除均衡算法大大增加了底层实现的复杂性，并且超出本文的讨论范围。一般来说，通过文件系统来管理Flash的需求远大于对Flash扇区擦写次数均衡的需求，特别是现在越来越多的Flash扇区都支持100万次的擦写。如上面所提到的，文件系统本身提供给编程者的接口API与标准OS提供的接口类似。这可能误导开发者认为文件系统可以看作是一个硬盘，以任意的频率进行读写操作。事实并不是这样，线性文件系统碎片整理同制并没有进行擦写次数均衡，这意味着空闲扇区可能会是最早损坏的Flash扇区。因为在碎片整理过程中，空闲扇区被用作其它所有扇区的暂时存放扇区。例如在设计里，有13个扇区Flash用来作线性文件系统区，有1个扇区作为空闲扇区。假设对于最坏情况的碎片整理（