這里開發(fā)了一個基于閃存平臺的嵌入式文件系統(tǒng)。為保證閃存扇區(qū)的平均使用率和均衡擦寫次數(shù)，引入了損壞管理辦法，在這種辦法中采用了動態(tài)存儲空間管理模式和先入先出（FIFO）策略。所采用的冗余設(shè)計、快速計算和跟蹤辦法還可以延長核心扇區(qū)使用壽命，保證系統(tǒng)啟動可靠的服務(wù)。

1 FFS存儲結(jié)構(gòu)和框架

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能，對可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

閃存的英文名稱是 \“Flash Memory\” ，一般簡稱為 \“Flash\” ，它也屬于內(nèi)存器件的一種。不過閃存的物理特性與常見的內(nèi)存有根本性的差異：目前各類 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都屬于揮發(fā)性內(nèi)存，只要停止電流供應(yīng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)便無法保持，因此每次電腦開機都需要把數(shù)據(jù)重新載入內(nèi)存；閃存則是一種不揮發(fā)性 （Non-Volatile） 內(nèi)存，在沒有電流供應(yīng)的條件下也能夠長久地保持數(shù)據(jù)，其存儲特性相當于硬盤，這項特性正是閃存得以成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲介質(zhì)的基礎(chǔ)。

嵌入式系統(tǒng)中閃存有以下特點：（1）閃存以扇區(qū)為單位執(zhí)行，如果修改扇區(qū)內(nèi)1 B的數(shù)據(jù)，則整個扇區(qū)的數(shù)據(jù)都將被重寫；（2）通常任一扇區(qū)可重寫大約0.1～1萬次；（3）損壞扇區(qū)難免。在計算機數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用了閃存特性和局部處理程序訪問特征，在邏輯上非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)流模式被應(yīng)用到FFS，在物理上存儲空間以扇區(qū)為基礎(chǔ)分成不同的塊。閃存文件系統(tǒng)（FFS）不僅提供了根據(jù)文件名查找和訪問文件，使得有限的存儲空間得到合理和充分利用，而且還提供基于存儲內(nèi)容的擦寫策略損壞扇區(qū)的適應(yīng)性管理。

為了使閃存文件系統(tǒng)在不同的平臺上更易于進行維護、升級和移植，基于Madnick分層模型設(shè)計了一個文件系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)。圖1所示的文件系統(tǒng)包括2個主要部分：文件管理單元和存儲空間管理單元。較低層為上層部分提供服務(wù)。每一層僅涉及接口，而不是更低或上層內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 存儲空間管理

作為嵌入式系統(tǒng)的一部分，閃存存儲管理的主要功能包括提高使用效率、加快執(zhí)行速度和根據(jù)其物理特性使用特殊算法管理閃存內(nèi)存單元的使用頻率。存儲空間管理單元在邏輯上由3個層次組成：文件物理層、存儲設(shè)備分配層和閃存驅(qū)動層。閃存驅(qū)動層為上層提供最基本的驅(qū)動程序，如下：

2.1 存儲扇區(qū)管理

本文開發(fā)的FFS存儲結(jié)構(gòu)類似于MS-DOS的FAT，是FAT系統(tǒng)的修改。圖2顯示了一系列模式的基本存儲結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)記錄區(qū)（SRA）存儲介質(zhì)信息和最重要的文件系統(tǒng)信息，如閃存類型、容量、扇區(qū)數(shù)和扇區(qū)利用現(xiàn)狀。這個扇區(qū)的利用狀況包括文件數(shù)、損壞扇區(qū)數(shù)、第一個和最后一個未使用的扇區(qū)編號。圖3顯示了在SRA上的內(nèi)存分配。文件信息區(qū)域（FIA）用于存儲文件的詳細信息，如文件名、文件類型、文件大小、文件屬性和閃存鏈表項。程序數(shù)據(jù)區(qū)（PDA）用于存儲程序數(shù)據(jù)。圖3為SRA上的內(nèi)存分配情況，不同部分存儲特定的記錄信息：1為閃存內(nèi)存類型；2為閃存內(nèi)存容量；3為扇區(qū)數(shù)；4為文件數(shù)；5為未使用扇區(qū)數(shù)；6為損壞的扇區(qū)數(shù)；7為最后一次寫入FIA的扇區(qū)組數(shù)；8為第一個未使用扇區(qū)號；9為最后未使用扇區(qū)號；10為系統(tǒng)記錄控制的關(guān)鍵字；11為下一個要寫入的扇區(qū)號。

不同的系統(tǒng)有不同的存儲空間管理模式，最簡單的可能是一個命令模式。另一個常用的方式是靜態(tài)存儲模式，這意味著每一個文件分配固定的扇區(qū)數(shù)。在這種情況下，如果文件大小超過了給定的空間，雖然仍有未使用的扇區(qū)，但寫操作卻不能成功完成。同樣，小文件顯然將導致存儲空間浪費。另外，由于過度頻繁地訪問同一個文件，與其他的扇區(qū)相比這種更容易損壞。所以，靜態(tài)存儲模式不是一個很好的選擇。

基于MS-DOS的FAT系統(tǒng)只為數(shù)據(jù)區(qū)提供損害管理，忽視了文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)區(qū)域。相對地，SRA作為FFS結(jié)構(gòu)區(qū)域，由于存儲了系統(tǒng)關(guān)鍵信息而成為最重要的區(qū)域。而且因頻繁訪問， SRA往往更易損壞。所以，這一區(qū)域應(yīng)當運用一種安全策略。可以充分利用閃存存儲能力，寫校驗時間將會減少，從而寫速度將有所改善。

2.2 SRA的平均擦除和寫入管理

為了實現(xiàn)對System record area（SRA）平均擦除和寫管理，避免由系統(tǒng)記錄扇區(qū)物理損傷而導致整體系統(tǒng)的故障，SRA被平均劃分成3個小組。3組依次進行寫操作，可以為系統(tǒng)記錄存儲安全提供一個冗余策略，從而提高系統(tǒng)的可靠性，延長系統(tǒng)壽命。這對于每次在系統(tǒng)通電之后獲取SRA代碼值是必要的。由系統(tǒng)記錄關(guān)鍵字（SysKeyword）控制的值，標記著系統(tǒng)關(guān)閉前最后一次寫操作的系統(tǒng)扇區(qū)的執(zhí)行記錄，它顯示為：

在系統(tǒng)初始化時，SRA中每組的相應(yīng)系統(tǒng)變量關(guān)鍵字（1～3）初始化為0。在后續(xù)操作中，各組關(guān)鍵字（SysKeyword）的真實值應(yīng)該更新，在系統(tǒng)每次啟動時分別從SRA讀出。因此，SysCodeValue的值可根據(jù)式（1）得到。執(zhí)行最后一次寫操作的組號可以通過調(diào)用函數(shù)GetLastGroup-Num（）獲得。一旦SRA的記錄數(shù)據(jù)被更改，系統(tǒng)關(guān)鍵字應(yīng)該相應(yīng)更新。然后包括SysKeyword的記錄數(shù)據(jù)，應(yīng)寫入到根據(jù)以下方法獲得的相應(yīng)扇區(qū)。

下一次將被寫入的該系統(tǒng)記錄扇區(qū)的組號與轉(zhuǎn)移的參量LastGroupNum可以通過調(diào)用函數(shù)GetNextGroupNum（Uchar LastGroupNum）共同獲得。SysCodeValue的值將更新如下：

SysCodeValue=SysCodeValue∧2NextGroupNum-1 （2）

通過組合式（1）和式（2）可以得到每組SysKeyword的值，因此，可以迅速查出最新和最舊的記錄。該方法是一種快速計算和跟蹤策略，這樣，根據(jù)得到的組號和SysKeyword的值，寫操作可以順利執(zhí)行。

該系統(tǒng)記錄扇區(qū)的詳細參數(shù)值如表1所示。

3 文件管理

文件管理層（FML）封裝了整個文件系統(tǒng)，并且為操作系統(tǒng)和上層的應(yīng)用程序提供統(tǒng)一標準的程序接口（APIs）。用戶操作請求將被APIs移交到文件的邏輯層（FLL），然后將請求發(fā)送到文件的物理層（FPL）。

3.1 文件編輯

文件系統(tǒng)應(yīng)提供友好的用戶界面，圖4顯示編輯一個存儲在閃存的文件流程圖。首先要遍歷文件信息鏈表，根據(jù)文件名來查找存儲此文件信息的節(jié)點。因此，該文件存儲空間的第一個扇區(qū)可獲取，后續(xù)扇區(qū)依次獲取。然后，每個扇區(qū)將逐個讀取，數(shù)據(jù)將被寫入緩沖區(qū)。通過建立一個雙鏈表顯示數(shù)據(jù)，然后通過人機界面進行編輯操作。最后，將修改后的數(shù)據(jù)寫回到閃存，文件信息和系統(tǒng)記錄將自動更新。

3.2 文件存儲和文件刪除

連續(xù)的文件存儲結(jié)構(gòu)模式（如圖5中的文件N005和N011）在存儲前，文件通常被劃分成為大小相等的多個數(shù)據(jù)塊。塊的數(shù)量是由文件和塊大小決定，而塊的大小與存儲介質(zhì)有關(guān)。在本文中，閃存的存儲單元（即扇區(qū)）為256 B，因此，該塊的大小建議不超過256 B。塊的數(shù)量（即被占用的扇區(qū)數(shù)）可以計算出，這是最低整數(shù)不少于文件字節(jié)大小除以塊字節(jié)大小所得的商數(shù)。然后未使用的扇區(qū)鏈表的頭節(jié)點作為這個文件存儲空間的第一個扇區(qū)。緊隨第一個扇區(qū)，很多未使用的扇區(qū)被取出后，整個文件的存儲空間可用。該文件成功保存。

閃存的地址空間不允許隨意被刪除，刪除一個文件時必須把扇區(qū)作為一個刪除單元。因此，刪除一個文件，要使用與編輯操作相同的手段獲得該文件節(jié)點的存儲信息，這樣文件的信息可以使用。有了文件信息，文件的存儲空間的第一個扇區(qū)可以得到，其他的也可以依次得到。然后未使用的扇區(qū)鏈表上的扇區(qū)可以通過調(diào)用函數(shù)FreeSect釋放第一個扇區(qū)。最后，根據(jù)雙鏈表的原則，這個節(jié)點將被刪除。

要創(chuàng)建一個文件（文件名為N005，大小為912 B，第一個扇區(qū)是5號），未使用扇區(qū)鏈表的頭節(jié)點作為這個文件的存儲空間的第一個扇區(qū)。同時，在文件信息鏈表的尾節(jié)點寫文件信息。這個文件的存儲扇區(qū)數(shù)可以計算出來，結(jié)果被證明是4。然后，從未使用的扇區(qū)鏈表頭部，4個扇區(qū)依次用于存儲文件數(shù)據(jù)。從而，文件信息和系統(tǒng)記錄更新后，文件的創(chuàng)建操作完成。

為了提高存儲及管理嵌入式平臺上文件數(shù)據(jù)的性能，本文提出了一種新的應(yīng)用于閃存文件系統(tǒng)（FFS）的辦法，有以下特點：

（1）減少寫周期提高寫入速度；

（2）采用動態(tài)分配存儲空間，提高利用效率和延長閃存的使用壽命；

（3）相應(yīng)的文件被刪除后，存儲扇區(qū)可以很快被釋放，并可以連接到未使用的扇區(qū)鏈表；

（4）當損壞扇區(qū)的數(shù)量到達設(shè)置值時自動報警，確保系統(tǒng)處于良好狀態(tài)；

（5）FAT分配的內(nèi)存空間存儲指針以數(shù)組的形式作為全局變量；

（6）為延長內(nèi)核扇區(qū)壽命確保系統(tǒng)啟動可靠服務(wù)，采用冗余設(shè)計、快速計算和追蹤策略。

因此，本文中的FFS，特別是在可靠性、存儲效率和良好的可移植性方面已獲得明顯的成效。