Flash損耗均衡的嵌入式文件系統(tǒng)設計

引言
嵌入式系統(tǒng)的海量存儲器多采用Flash存儲器實現(xiàn)擴展，由于Flash存儲器具有有限寫入次數(shù)的壽命限制，因此對于Flash存儲器局部的頻繁操作會縮短Flash存儲器的使用壽命。如何設計出一個合理的、針對嵌入式應用的文件系統(tǒng)，實現(xiàn)Flash存儲器的損耗均衡，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理，對于提高其使用壽命具有一定的意義。
本文基于AVR單片機擴展Flash存儲器和以太網(wǎng)控制器設計了一款嵌入式文件系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和存儲器使用的損耗均衡，為延長Flash存儲器的使用壽命提供研究方法。
1 硬件平臺設計
本嵌入式文件系統(tǒng)選用Atmel公司的AVR單片機ATmega 128和Flash存儲器AT45D13081。該Flash芯片具有8 Mb存儲空間，共分為4096數(shù)據(jù)頁，每頁可存儲264字節(jié)。通過串行外圍設備接口SPI實現(xiàn)ATmega 128和AT45DB081之間的數(shù)據(jù)通信。文件系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網(wǎng)控制器。

2 嵌入式文件系統(tǒng)總體設計
文件系統(tǒng)的管理是通過把它所管理的信息組織成文件形式來實現(xiàn)的。文件是具有名稱的相關信息元素的序列。從用戶角度看，文件系統(tǒng)主要實現(xiàn)了按名存儲；從系統(tǒng)管理的角度看，它主要實現(xiàn)了文件存儲器的空間組織及分配、文件信息的存儲以及文件的保護及檢索。文件系統(tǒng)要借助于組織良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來有效地對文件信息進行管理，使用戶更方便地存儲信息。文件系統(tǒng)對于底層硬件的特性一般并不關心，只提供簡單且標準的接口。
2．1 文件系統(tǒng)存儲結(jié)構(gòu)
根據(jù)Flash芯片的特性，為了最快捷地實現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的讀取，本文件系統(tǒng)采用單級目錄結(jié)構(gòu)，利用鏈接頁的方法管理Flash的存儲空間。文件系統(tǒng)存儲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。在Flash存儲器中，文件系統(tǒng)分為3部分：文件系統(tǒng)信息表(FAT)、文件控制塊(File Control Block，F(xiàn)CB)和數(shù)據(jù)區(qū)(Data Area，DA)。

文件系統(tǒng)信息表(FAT)用于存放文件系統(tǒng)的信息和屬性。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含F(xiàn)AT的有效性標志、文件總數(shù)、第一個文件控制塊的扇區(qū)號及其在存儲器中的地址，以及當前FAT在存儲器中的地址。
文件控制塊(FCB)是存放在Flash中的，表示文件的靜態(tài)信息。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含文件名(11字節(jié)之內(nèi))、文件首簇所在的扇區(qū)號、文件長度、文件屬性、文件創(chuàng)建時間、下一個FCB的Flash地址以及文件控制塊有效標志。文件控制塊之間采用鏈表形式鏈接。
文件句柄(File_Handle)是存放在內(nèi)存中的，表示文件的動態(tài)信息。當用戶打開或創(chuàng)建文件時，會在內(nèi)存中申請一個文件句柄。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含文件句柄標示號、文件句柄狀態(tài)、文件名、文件首簇號、首簇所在的扇區(qū)號、當前簇號、文件指針、文件長度以及文件的FCB地址。
操作系統(tǒng)中將相鄰的扇區(qū)組合在一起，形成一個簇，然后再對簇進行管理。顯然，簇是操作系統(tǒng)所使用的邏輯概念，而非磁盤的物理特性。為了更好地管理磁盤空間和更高效地從硬盤讀取數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)規(guī)定一個簇中只能放置一個文件的內(nèi)容，因此文件所占用的空間，只能是簇的整數(shù)倍。本文設計的文件系統(tǒng)規(guī)定一個簇的大小為存儲器的一個頁。