基于NAND FLASH的虚拟扇区管理.doc

NAND FLASH 的虚拟扇区管理（FLASH的具体读写擦的过程）一 前提 1Flash存储编程特点Flash写：由1变为0，变为0后，不能通过写再变为1。Flash擦除：由0变为1，不能按位擦除,必须将整个block一起擦除,把一个block或整个Flash的内容都变成1。 当在一个block中进行存储时，一旦对某一block中的某一位写0，再要改变成1，则必须先对整个block进行擦除，然后才能修改。2. 没有VFS（虚拟扇区管理）之前的Flash数据存取方式先把整个block读到RAM中，在RAM中修改其内容，再擦除整个block，最后写入修改后的内容。3. 缺陷:1) 在Flash擦写过程中掉电，会造成整个块的数据丢失2) 每修改一次数据，对块进行了一次擦除，频繁的读-擦除-写操作，会影响Flash的使用寿命，每次需要花比较多的时间来完成数据修改操作，影响系统性能3) 每次进行Flash擦写之前，至少需要一个块大小的RAM为其备份，有时可能会造成RAM资源紧张4) 一旦出现坏块，则存储在该块的相关信息永久失效，造成系统崩溃4. VFS主要特点1) 动态映射逻辑扇区到物理地址；2) 物理块进行寿命均衡，记录Flash的擦写次数；3) 掉电数据恢复4) 记录坏块 二基本原理1嵌入式系统中数据读写擦的大体过程：应用程序嵌入式操作系统文件系统Flash存储管理Flash底层驱动Flash介质2概念VFS对应用数据使用的Flash块空间进行管理,将每个物理块划分成若干个物理扇区, 以扇区为最小单位进行数据存取, 每个物理扇区由512+4字节=516字节组成 ,512字节为有效数据空间，另外4字节（32位）用于存放逻辑扇区id和当前状态。定义如下：扇区状态（属性）逻辑扇区 （VSS ID）有效数据空间4位28位512字节VSS（Visual Small Sector），虚拟小扇区：以它为单位读写Flash内容。 VSS ID（Visual Small Sector Identity），虚拟小扇区号：只通过虚拟扇区号进行存储，不用考虑它的真实物理地址。 SI（Sector Identity），分割号：一个擦写逻辑块中物理扇区的顺序分割号。 BI（Block Identity）,块号：Flash芯片中按擦除进行划分的块号。 SAT（Sector Allocate Table），扇区分配表：一个擦写逻辑块中的扇区分配表。一个SAT由许多SAT单元组成，一个SAT表对应一个Block，一个SAT单元对应一个VSS。 每个SAT单元最高两位为属性位，后面各位为VSS ID号。如果一个SAT单元由16位组成，则VSS ID最大可以达到161024；而如果SAT单元由8位组成，则VSS ID最大可以达到64，具体约定由应用情况而定。 3实现原理：把每个block分为更小的虚拟逻辑块（visual small sector），称为虚拟扇区，扇区大小根据应用而定。每个block前面的一固定单元用于记录本block中扇区分配的使用情况（即扇区分配表），包括扇区属性及扇区逻辑号。在进行数据读写和修改时，以虚拟扇区块的大小为单位。要修改某一扇区的数据时，先读出这个扇区的内容，重新找一个未使用的扇区，把修改后的内容写入这个新扇区。然后，修改原来扇区的属性值为无效，修改这个新扇区的属性为有效，拷贝VSS ID号到新扇区对应的SAT单元中。 这样，当某一个block中的SAT属性都标为无效时，才对当前block进行擦写。可见，以虚拟扇区大小为单位的存储管理，对Flash块的擦写次数可大大减少，从而提高了系统性能。 下图为示意图：扇区有五种状态（属性）: 1）VFS_SECTOR_FREE (0xF) 空闲状态不需要主动设置,块被擦除后块内各扇区自动置成该状态2）VFS_SECTOR_INVALID (0xE)以扇区为单位存储数据时,先将扇区置成该状态,然后存储实际数据3）VFS_SECTOR_VALID (0xC)数据存储完后,将VFS_SECTOR_INVALID状态置成VFS_SECTOR_VALID状态4）VFS_SECTOR_USE (0x8)将旧数据存放的扇区状态由VFS_SECTOR_USE状态置成VFS_SECTOR_DISABLE状态后,将新数据存放的扇区置成该状态,完成用新数据替换旧数据的过程5）VFS_SECTOR_DISABLE (0x0) 新数据存储完成后,新数据扇区状态由VFS_SECTOR_INVALID置成VFS_SECTOR_VALID,将老数据扇区状态由VFS_SECTOR_USE置成VFS_SECTOR_DISABLE状态,然后再将新数据扇区状态置成VFS_SECTOR_USE状态以物理块大小64K为例，可以计算出每个块可以划分出127个扇区；(65536/516 = 127 余4) 剩下4个字节可以用来记录块的状态和该块被累计擦写的次数.块有五种状态(用4个bit表示):VFS_BLOCK_FREE: 空闲块VFS_BLOCK_WORK: 当前工作块VFS_BLOCK_OCCUPY: 已使用块VFS_BLOCK_DISABLE: 等待被回收的块VFS_BLOCK_BAD :坏块 4逻辑扇区映射： 由于Flash只能以块为单位进行擦除,如果逻辑扇区和物理地址是简单的一一对应关系，那么对扇区进行修改就必须先将整个块的内容擦除，然后再将新的数据写入Flash,势必会造成时间和Flash寿命的损失。因此我们就建立了扇区分配表（逻辑扇区映射表），使逻辑扇区与物理地址进行动态的匹配。这样，在修改某个扇区的内容时只要将数据写入一个新的扇区，然后将原扇区标记为disable就可以了。这样，还可以消除频繁修改某个块带来的寿命不均的影响。 映射表是建立在内存中,以逻辑扇区id为索引,项数为M(逻辑扇区总数)的数组，每项占用4字节，用于存放对应的物理地址。当某项为空（0xffffffff）时，说明该逻辑扇区id所对应的那部分应用数据因为所需的存储空间较小,未使用到该逻辑扇区. 因此，我们需要根据扇区分配表计算具体的所对应的物理地址。要对某个VSS ID进行读写操作，必须先找到其物理地址。 定位某个VSS ID物理地址的过程如下。 查找这个VSS ID所在的块号（BI）以及在这个块中所处的分割号（SI）。 从第一个block开始，搜索这个块的SAT表。首先搜索属性，只有属性为有效的才比较VSS ID号。如果条件满足，记录所在的块号BI及SAT的位置，即扇区分割号SI；否则，block号增加，继续按照上面步骤查找。找到VSS ID所在的块号及分割号（SI）后，这个VSS ID的物理地址为： ADDR=整个Flash的偏地址+ BLOCKID*BLOCKSIZE+SATSIZE+SI*SEC三操作过程1 写数据： a) 记录增加（写数据）。增加一个记录时，根据提供的 号，首先查找这个记录号是否在使用。如果还没有使用，则申请一个未使用的，把相在内容写入这个，修改其对应的单元，写入有效属性值和号；否则，进入记录修改过程。 存取数据的具体过程：说明：由于我们使用的service表等信息，一部分数据就占用一两个块(以上)空间,这个数据是一个整体，全部写入后数据才是有效的。所以，有必要把Flash写操作切割成三个步聚VFS_Data_Write_BeforeVFS_Data_Write_SectorVFS_Data_Write_After VFS_Data_Write_Before1)根据写入数据所需要的Flash大小，如果空间不够，就进行空间整理2)进入空间整理前,如果当前空闲空间不足一个块，则认为是2M Flash,沿袭旧有存储方式存储注:每次开机扫描flash后，可以得知应用数据使用了flash多少扇区(use扇区数)，有多少disable扇区，有多少free扇区；只要free扇区数大于use扇区最小的块的use扇区数，即可以启动空间整理，按VFS新的存取方式存取又注:若使用过程中，应用数据所需的Flash空间越来越大，以致Flash无法保持一个块的空闲空间时，则把备用的空闲块释放出来给数据使用，数据存储方式变成旧方式3)如果判断即使把备用块用上，仍然达不到新数据所需的存储空间，则把老数据所用扇区disable,然后进行空间整理注:对于一次性所需空间把所有的空间利用上仍不够时，先把老数据所用的空间释放出来,再决定是否释放备用块，转成旧的存储方式4)如果空间足够，将新数据将要使用的扇区都置成invalid注:对于整体数据进行整体操作 VFS_Data_Write_Sector循环调用VFS_Data_Write_Sector,一次完成一个扇区的数据写入让外部循环调用，外部就不需要一次分配很大的RAM，RAM分配大小完全可由外部控制 VFS_Data_Write_After1) 把新数据使用的扇区都置成valid注:如果在此过程掉电，掉电恢复时判断有一个扇区是valid,则认为所有invalid扇区都是valid的,如果没有valid扇区，则掉电前写入的新数据无效，如果因为空间受限的原因，原数据已经disable了，则还是会出现数据丢失，这是因为空间受限无法备份引起，无法避免2) 老数据扇区置成disable注:如果在此过程中掉电，因为已经有valid扇区存在，会用valid/invalid替换掉use3) 新数据扇区置成use4) 更新逻辑扇区映射表b) 记录修改（修改数据）。当要修改一名片记录时，由 先把这个记录读入到中，然后修改其内容，重新找一个未使用的扇区，把修改后的内容写入到这个新扇区中，并拷贝其 号到这个新扇区对应的单元，修改其属性为有效，修改原来的扇区属性为无效。 2 删除数据 记录删除：要删除一个记录时，根据提供的 号，查找表。如果找到，修改其对应的属性为无效（disable）；否则，说明这个记录不存在。3 .读取数据 (首先从RAM中查找，如果没有，进入记录查找过程)记录查找：由 号进行的查找：根据提供的 号，查找所有的表中属性为有效的 ，返回相应的及。根据名片的用户名查找：检测所有的表中属性为有效的 ，得到相应的及，由及定位到指定Flash物理地址读入用户各到中，比较是否相等。如果相等，读取并返回单元的 ；否则，继续查找。调用函数：VFS_Data_Read_Sector由外部循环调用VFS_Data_Read_Sector，一次完成一个扇区的读取4 Flash 空间整理 在存取数据时，如果Flash空间不够，就需要空间整理1) 取出disable扇区最多的块2) 判断当前剩下的free扇区数是否可以放下待整理块内所有的use扇区 ,如果可以,则启动整理模块,如果不可以,仍然沿袭原来的存储读写方式3) 整理过程中,只移动use扇区(只有use扇区是有效的,invalid/valid扇区在开机时调用V