NOR Flash 分块状态切换 - 嵌入式系统Flash存储管理策略研究

4 NOR Flash 分块状态切换与使用均衡

在Flash 的使用过程中， 必然存在着多次的数据更新， 当前嵌入式系统中数据更新的一般做法是先将新数据写入Flash， 然后将旧的数据置为无效状态［ 6］ 。如果每次数据更新都马上将原先数据擦除，则将造成Flash 的擦除次数急剧增加。随着数据更新次数的增多， 也就导致Flash 存储系统中的可用资源不断减少， 因此在某个时刻就必须对系统中的垃圾资源进行回收。通过巧妙设置Flash 分块的状态，并在资源回收过程中对源、目标两个分块进行适当的状态切换， 可以确保在资源回收过程中不会因掉电原因而产生数据的丢失。令回收源分块为A， 新目标分块为B， 资源回收流程如图2 所示。

图2 资源回收流程图

对于每次系统上电后， 应用程序将读取每个Flash 数据分块的头部信息， 在内存中建立相应的分块信息表， 同时根据头部信息和空闲地址搜索算法去初始化每种数据类型的起始地址与空闲区域首地址， 同时必须对异常状态进行检测恢复。其中对每个分块的初始化主要是根据分块头部的状态信息进行判断， 检测是否之前有掉电过， 然后做出相应处理， 主要有以下几种可能：

1） 状态为BF _NOT _INIT， 则将其初始化为BF_FREE 状态。

2） 状态为BF_FREE 或BF_INUSE， 则在内存中建立分块信息， 无需其它操作。

3） 状态为BF _ COPYIN G _ DAT A 或BF _ERASING， 则将其擦除后置为BF_FREE 状态。

4） 分块A 状态为BF_SRC_DATA， 如果有另一个分块B 为BF_COPY _FINISHED， 则根据流程图继续完成资源回收操作。如果有另一个分块B 为BF_COPYING_DAT A， 则擦除B 后置为BF_FREE 状态， 然后对A 重新进行资源回收操作。

5） 状态为BF_INVA LID， 则该块为坏块， 不在内存中建立分块信息。为了均衡每一个分块的使用次数， 延长整块Flash 的使用寿命， 在每次进行分块擦除之后， 必须先将之前记录下来的Block_Erase_Counter 加1， 然后组成新的头部信息重新写回分块头部， 从而达到动态记录每个分块擦除次数的功能。在进行空闲分块申请的时候， 必须遍历所有状态为BF_FREE 分块， 选取Block_Erase_Counter 数值最小的作为新分块分配， 从而使得每个分块的使用次数趋于一致。

5 分块管理在嵌入式软件系统中的实现

在嵌入式软件的设计中， 良好的软件架构设计可以使得软件具有更好的可靠性及可扩展性。目前分层架构是嵌入式软件系统设计中最为流行的一种［ 7］ 。因此在软件实现过程中， 采用了分层的软件架构将分块管理软件分为Flash 驱动层、No rFlash 分块管理层和数据类型管理层三层。具体的软硬件分层示意图如图3 所示。

图3 存储模块软件构架

软件最底层为Flash 驱动层， 考虑到NOR Flash存储器的多样性， 并且各种器件的底层驱动可能不同， 因此Flash 驱动层的建立可以向分块管理层屏蔽具体的硬件信息。一般驱动层的实现主要采用函数指针的方法进行［ 8］ ， 初始化时通过读取不同Flash 的ID 分别对read、write 和erase 等基本操作函数指针进行赋值， 此后上层软件在对Flash 进行实际操作时则通过函数指针进行， 并不清楚具体的Flash 信息。在嵌入式系统中， 非易失性数据的种类有多种多样， 因此分块管理层本身并不涉及具体类型数据的存储方法， 只是预留几个字段用于记录数据类型等信息［ 9］ 。这些字段用于数据类型管理程序初始化时使用。数据类型管理层的主要功能是管理NOR Flash存储器中不同类型的数据， 向应用程序提供基于数据类型的各种操作， 屏蔽掉具体的分块管理信息。分块管理层程序负责资源回收算法、开机Flash 异常恢复算法的实现， 同时向数据类型管理层提供各种类型数据的所在的分块地址信息。通过这种构架使得每一层的实现都易于采用面向对象的思想实现， 其中从底层至上层的对象分别Flash、分块、数据类型。

6 结语

通过采用分块管理与状态转换的方法， Flash的存储性能有了较大的改善， 而且数据的可靠性也有很大提高， 特别适用于无文件系统嵌入式设备中的数据存储。同时通过合理的软件构架使得各个分层都易于采用面向对象的思想实现， 这样有利于软件的扩展与移植。目前这种方法已经在数字电视机顶盒中采用， 实现效果甚好， 并且为上层软件的设计带来很大方便。