隨著嵌入式技術(shù)在電子信息等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對數(shù)據(jù)存儲設(shè)備容量和性能的要求也日益提高。Nand Flash在這一領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，由于Nand Flash在寫操作之前需要擦除整塊且使用壽命有限，因此，如何更有效的管理好Nand Flash提高其使用壽命成為一個研究熱點(diǎn)。就目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高效管理Nand Flash的研究成果來看，主要是在讀寫操作過程中引入控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)閃存各單元的均衡擦除，從而提高其使用壽命。其中ZLG/FFS是周立功公司開發(fā)的 Nand Flash通用驅(qū)動程序，雖然其很好的實(shí)現(xiàn)了均衡管理，但在追加文件內(nèi)容時需要擦除整塊，這與提高Nand Flash的使用壽命而盡量少擦除閃存塊觀點(diǎn)是相違背的，為此本文設(shè)計(jì)了一個新的FFS，其最突出的特點(diǎn)是盡可能保證在追加文件內(nèi)容時不擦除閃存塊，從而提高FLASH的使用壽命，而且根根據(jù)需要，還可改寫讀寫接口以支持多種文件系統(tǒng)。

1 FFS引入

由于Nand Flash的物理特性：出廠之前可能存在壞塊以及操作過程中再次出現(xiàn)壞塊，擦除次數(shù)有限，頁讀寫塊擦除，寫之前須先擦除，存儲器中的數(shù)據(jù)只能由1變0等，要想更有效的使用閃存，提高其使用壽命和利用率，擦除操作必須盡可能的少，并且，擦除操作必須盡可能的均勻分布在整個閃存上。為此需設(shè)計(jì)一個文件系統(tǒng)來高效的管理閃存，提高其使用壽命。在引言中已提過ZLG/FFS，本文是在基于ZLG/FFS的基礎(chǔ)上來設(shè)計(jì)一個改進(jìn)了的FFS，用FFS來封裝底層的具體硬件操作，向上層文件系統(tǒng)提供一個與底層具體硬件操作無關(guān)的通用驅(qū)動接口，可以使上層文件系統(tǒng)更方便的訪問閃存。

2 通用驅(qū)動程序FFS的設(shè)計(jì)

2.1 保存FFS硬件信息的結(jié)構(gòu)體變量

根據(jù)Nand Flash 特性，需要一個變量ValidBlock來記錄當(dāng)前物理盤的有效塊（可以保存數(shù)據(jù)的塊）數(shù)；需要一個擦除次數(shù)表來記錄每個物理塊的擦除次數(shù)；需要一個物理塊使用狀況表來表示每個物理塊是否使用以及是否是壞塊，并且，由于上層提供給FFS是邏輯扇區(qū)，同時由于有壞塊的存在，邏輯扇區(qū)與物理扇區(qū)之間不是簡單的映射關(guān)系，因此需要一個邏輯塊與物理塊之間的映射表；最后還需一個指向硬件信息的結(jié)構(gòu)體指針。FFS硬件信息的結(jié)構(gòu)體如下：

const FlashDriver     *Drive里包含了閃存的硬件參數(shù)（物理盤總塊數(shù)、總扇區(qū)數(shù)、每塊扇區(qū)數(shù)、每扇區(qū)字節(jié)數(shù)據(jù)）以及相應(yīng)的閃存讀寫、擦除閃存和檢驗(yàn)寫入扇區(qū)數(shù)據(jù)函數(shù)。

2.2   FFS物理盤存儲結(jié)構(gòu)

2.2.1 

物理盤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)區(qū)。由于壞塊表是與Nand Flash存儲器相對應(yīng)的，它必須保存在芯片上。而Nand Flash的第0塊比較特殊，它在出廠時一定是有效塊，并且可以保證在擦除一定的次數(shù)后還是有效塊。因此，將壞塊表保存于第0塊比較合適。此塊不保存有效數(shù)據(jù)，稱為系統(tǒng)區(qū)，其它塊為數(shù)據(jù)區(qū)，真正保存壞塊表的是第0塊每扇區(qū)的前512字節(jié)，第0扇區(qū)的備用16字節(jié)是系統(tǒng)標(biāo)志。

（2）數(shù)據(jù)區(qū)。在一般的文件系統(tǒng)里，存儲數(shù)據(jù)用的每扇區(qū)字節(jié)數(shù)為512,在這里，用每扇區(qū)的備用16字節(jié)來存邏輯塊索引、物理擦塊除次數(shù)、物理狀態(tài)等信息是比較合適的，該區(qū)域稱為屬性域，每扇區(qū)前512字節(jié)稱為數(shù)據(jù)域。物理盤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖見圖1

2.2.2系統(tǒng)標(biāo)志、屬性域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和壞塊表

(1) 系統(tǒng)標(biāo)志域。該域值現(xiàn)設(shè)定為“NANDFFS”，占據(jù)備用數(shù)據(jù)區(qū)的前8個字節(jié)，不足部分和保留區(qū)域置為0。

（2）壞塊表。根據(jù)Nand Flash的性質(zhì)，可以將“1”寫為“0”,所以將物理壞塊表設(shè)置成位表，一位對應(yīng)一個物理塊的狀況。如果某一塊是壞塊，則將第0塊對應(yīng)位置為0。位與物理塊的對應(yīng)關(guān)系為：第0扇區(qū)第0字節(jié)位0對應(yīng)第0塊，位1對應(yīng)第1塊，位2對應(yīng)第3塊，以此類推。

（3）屬性域。屬性域占據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)的512B－527B字節(jié)區(qū)域，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

邏輯塊索引：占據(jù)扇區(qū)的512B－515B區(qū)域，記錄扇區(qū)在物理塊的邏輯塊號，如果沒有使用，則值可能為0X00000000（擦除后方可使用）和0XFFFFFFFF(不需擦除可直接使用)。

有效標(biāo)志：僅使用數(shù)據(jù)區(qū)的516B區(qū)域，其值為‘V’時為有效，其他無效。系統(tǒng)第一次格式化閃存時，置該字節(jié)的值為‘V’。

保留區(qū)域：數(shù)據(jù)區(qū)517B區(qū)域， 在第一次使用時根據(jù)該字節(jié)確定該塊是不有效；

使用標(biāo)志：占據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)的518B區(qū)域，0XFF未被使用，不為0XF0表示被使用。

頁使用情況：占據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)的519B－520B區(qū)域，每兩位（頁追加標(biāo)志域）表示一次追加,值0b11表示該頁數(shù)據(jù)域512字節(jié)未被追加，0b10表示追加未完成，0b00表示追加完成，這里可以保證在一頁數(shù)據(jù)區(qū)8次追加文件，在文件恢復(fù)時也會用到該域根據(jù)該域判斷是追加還是修改文件；

塊擦除次數(shù)：占據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)的521B－524B，每次擦除塊時，該域值加1；剩余為保留區(qū)。

2.3 FFS的寫平衡的實(shí)現(xiàn)

寫平衡主要在文件讀寫過程中實(shí)現(xiàn)，讀扇區(qū)只是將上層提供的邏輯扇區(qū)轉(zhuǎn)化為物理扇區(qū)，直接讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)，而寫扇區(qū)是整個FFS里重點(diǎn)，在這里實(shí)現(xiàn)了寫平衡，同時進(jìn)行相應(yīng)的壞塊管理，壞塊管理主要在第一次格式化時和擦除操作中完成。寫扇區(qū)有兩種情況，一種是扇區(qū)還未使用，可以直接寫；另一種是已寫過數(shù)據(jù)，此種情況又可分為兩種情況，追加數(shù)據(jù)和修改已寫數(shù)據(jù)，在扇區(qū)中追加數(shù)據(jù)時，追加次數(shù)高于8次時不可以直接寫，由于Nand Flash不支持‘0’變‘1’，需要分別對待追加和修改，追加和修改是通過程序來判斷的，對一個扇區(qū)進(jìn)行寫操作，將原扇區(qū)數(shù)據(jù)與要寫進(jìn)扇區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如里某個字節(jié)的位從0變?yōu)?,說明是修改數(shù)據(jù)，否則說明此次是追加文件。如里是修改數(shù)據(jù)，假設(shè)所修改數(shù)據(jù)對應(yīng)物理塊號為A，此時，先在整個物理盤中查找擦除次數(shù)最少的塊B，如果B塊有數(shù)據(jù)，則在空閑塊中查找擦除次數(shù)最少的物理塊C，將B塊數(shù)據(jù)復(fù)制到C塊并擦除B塊使其成為空閑塊，再將A塊中不需改變的扇區(qū)數(shù)據(jù)復(fù)制到對應(yīng)的B塊扇區(qū)中，最后將要修改的扇區(qū)數(shù)據(jù)寫到B塊相應(yīng)扇區(qū)，同時擦除A塊；如果B塊沒有數(shù)據(jù)，就將A塊中不需修改的扇區(qū)數(shù)據(jù)復(fù)制到對應(yīng)B 塊扇區(qū)中，同時將修改扇區(qū)數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)B塊扇區(qū)中，在寫操作過程中同時對使用標(biāo)志域進(jìn)行相應(yīng)處理。如果是追加文件，首先在頁使用情況域里找一未使用的頁追加標(biāo)志域，使其為10,然后將數(shù)據(jù)寫入頁內(nèi)，再將頁追加標(biāo)志域置為00，如果此次掉電，則系統(tǒng)加載時根據(jù)該域恢復(fù)文件。寫扇區(qū)對應(yīng)程序流程圖見圖2、圖3。

3 結(jié)束語

本文分析了Nand Flash的特性及ZLG/FFS存在的不足，并根據(jù)這些特性研究與設(shè)計(jì)一個FFS，該FFS實(shí)現(xiàn)了Nand Flash寫平衡與壞塊管理，解決了在不可靠的存儲介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)存儲的問題，尤其是在追加文件時，由于每512字節(jié)可以追加8次，根據(jù)需要還可增加追加次數(shù)，從而從整體上盡可能保證在追加文件時不需要擦除閃存塊。該軟件已應(yīng)用于水情自動測報(bào)系統(tǒng)中的Nand Flash管理，取得了良好的效果，提高了Nand Flash的使用壽命。本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：在Nand Flash的每頁后16字節(jié)中增加了一個頁使用情況標(biāo)志域來記錄追加完成狀態(tài)及追加次數(shù)記錄，從整體上盡量保證在追加文件時不需擦除閃存塊，從而提高了 Nand Flash的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：
［1］谷葆春；周洪利；K9F56XXX0B系列Flash Memory的存儲組織與操作實(shí)現(xiàn)；微計(jì)算機(jī)信息 , 2004,(04)
［2］Seung-Ho Lim，Kyu-Ho Park， An Efficient NAND Flash File System for Flash Memory Storage，IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS, VOL. 55, NO. 7, JULY 2006
［3］李強(qiáng),杜威，慕春棣.基于大容量閃存的嵌入式文件系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)工程，2005年第31卷
［4］周立功等編著.ARM嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)實(shí)例（二），北京航天航空大學(xué)出社,2005
［5］沈建華，羅悅懌 基于Nand Flash的FFS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，Vol122,No. 6 Jun 2005