VxWorks文件系統(tǒng)、Flash的TFFS設計與實現(xiàn)

0 引言

在VxWorks的應用系統(tǒng)中，基于flash的文件系統(tǒng)通常都采用DOS+FAT+FTL的結構。

一般情況下，磁盤文件系統(tǒng)大多是基于sector的文件系統(tǒng)，磁盤按照物理上分為柱面、磁盤、扇區(qū)，扇區(qū)是基于塊的文件系統(tǒng)操作的基本存儲單位，磁盤的容量都是根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出來的，每個扇區(qū)大小通常都是512bytes。

VxWorks文件系統(tǒng)中的DOSFS是MS-DOS兼容的文件系統(tǒng)，可基于塊對物理介質進行操作。由于Fish的物理特性，對Flash作基于塊(不同于Flash的擦除塊)的操作必須由軟件作封裝實現(xiàn)，這就是TFFS所起的作用。

1 VxWorks文件系統(tǒng)的總體結構

VxWorks文件系統(tǒng)的總體結構以及TFFS在整個文件系統(tǒng)的位置如圖l所示。



Tomado下的TFFS文件系統(tǒng)是Tornado的一個可選組件，它可為種類繁多的Flash設備提供一個統(tǒng)一的塊設備接口。在Tornado2.2版本中自帶的TFFS版本為2.0，在文件系統(tǒng)中，TFFS的功能相當于磁盤驅動，通過TFFS可使上層的DOSFS或RTll文件系統(tǒng)像操作普通的標準磁盤一樣來操作Flash。

2 TFFS文件系統(tǒng)的分層

圖2所示為TFFS文件系統(tǒng)的分層圖。圖中的Core Layer內核層可將其他層連接起來協(xié)同工作；翻譯層主要實現(xiàn)DOS和TFFS之間的交互、管理文件系統(tǒng)和Flash各個物理塊的關系，同時支持TFFS的各種功能，如磨損均衡、錯誤恢復等；MTD層執(zhí)行底層的程序驅動(map、read、write、erase等)；socket層的名稱來源于可以插拔的socket存儲卡，主要提供與具體的硬件板相關的驅動。



3 FTL層分析

FTL是TFFS文件系統(tǒng)的核心，它是PCMCIS的一項標準，意思是Flash Translation Laycr Specification，這種類型的文件系統(tǒng)是目前嵌入式系統(tǒng)中最流行的，很多公司都提供這種文件系統(tǒng)的相關解決方案。

PTL為DOS BPB／FAT與Flash之間的中間層，F(xiàn)TL利用現(xiàn)成的基于塊的文件系統(tǒng)(例如DOSFS)來實現(xiàn)應用層的操作，實質上就是在Flash設備上模擬磁盤塊設備的實現(xiàn)，為基于塊的文件系統(tǒng)提供統(tǒng)一的接口。FTL通過以下幾步來模擬磁盤驅動：首先是在Flash擦除塊之外定義小的讀寫塊(相當于磁盤扇區(qū))；其次是邏輯扇區(qū)(對塊文件系統(tǒng)如DOSFS呈現(xiàn)的地址)和物理地址(Flash的實際地址)之間的轉換；然后管理Flash，使得能在空閑的地方寫入數(shù)據(jù)。其核心就是將DOS上的扇區(qū)映射到Flash上去。

為了實現(xiàn)DOS層從邏輯上看扇區(qū)是連續(xù)的，可隨時對任意bit讀寫操作，F(xiàn)TL必須提供對Flash芯片的管理，包括向上層(DOS層)提供可以任意讀寫的操作接口，向下對Flash的擦除、寫入、讀取統(tǒng)一管理，同時還必須提供磨損均衡，以防止一個擦除塊提前損壞。

3.1 FTL的啟動過程分析

在我們調用函數(shù)tffsDevCreate創(chuàng)建TFFS文件系統(tǒng)時，會以參數(shù)FL_MOUNT_VOLUME調用函數(shù)flcall→mountvolume→flmount→mountFTL，函數(shù)mountFTL是FTL層的加載函數(shù)人口，處理過程首先是初始化FTL，然后就可按下列步驟進行：

(1)查找第一個合法的unit頭信息

合法性的判斷依據(jù)是unit header頭上的標志CISF．．FTL100和部分頭部的flag信息，由于bsp已把FS的相關信息注冊到FTL的數(shù)據(jù)結構中，所以，F(xiàn)TL層可以找到第一塊unit，并可以向后查，直到找到合法的unit為止。

(2)檢驗信息合法性

將所有有用的信息都讀出到內部數(shù)據(jù)結構中后，即可檢驗信息合法性。由于unit header中的Unit ID和擦除次數(shù)都相同，所以整個文件系統(tǒng)的共用信息都可以從首先找到的頭中讀出來。

(3)給Mount每一個unit建立page表

這是mount最重要的過程，對每個unit調用mountunit()函數(shù)，并在mountunit()函數(shù)中首先判斷，如果是非法unit，則作為交換unit，然后對每個BAM選項進行處理，并對垃圾BAM、空閑BAM進行統(tǒng)計，如果是緩沖的BAM數(shù)據(jù)和交換page的VBM，則將此page的邏輯扇區(qū)信息記錄到內存的page表中，以便后續(xù)映射訪問查詢使用，而對于非緩沖的BAM數(shù)據(jù)，則不作處理，另外，對于交換page的VBM，則進行記錄。考慮到上述過程，可見其系統(tǒng)中的page VBM和緩沖的數(shù)據(jù)BAM分布在各個unit的各個角落，需要將所有的VBM和緩沖數(shù)據(jù)BAM收集起來建立整個交換page表，這是FTL標準層設計時就要決定的。

(4)檢驗邏輯unit的完整性

當所有的unit都mount完成后，每個邏輯unit都應存在，否則mount失敗。

(5)判斷并關閉交換page

如果系統(tǒng)中已存在交換page，則對系統(tǒng)中存在的交換page進行關閉操作，以便后面檢查page的完整性。

(6)檢查page的完整性

系統(tǒng)中的page表必須是完整的，這個表中包含有緩沖的數(shù)據(jù)BAM映射信息和更重要的page映射信息，因此，缺少任何一個，都將導致DOS的虛擬扇區(qū)無法映射到相應的邏輯扇區(qū)。

從上述過程可見，整個mount過程是將文件系統(tǒng)信息讀入內存數(shù)據(jù)結構并檢驗的過程，這個Mount PTL過程完成后，mountvolume ()函數(shù)即將隱蔽的0扇區(qū)和DOS的啟動扇區(qū)信息讀入內存數(shù)據(jù)結構，這樣，DOS就可以訪問FTL底層扇區(qū)了。

3.2 TFFS的塊映射

圖3中，F(xiàn)TL層將DOS上連續(xù)的扇區(qū)映射到Flash上某個R／W block塊中，同時在某個位置記錄一個映射表(稱為MAP表)，該表中記錄了DOS的扇區(qū)映射到Flash中的哪個block，當DOS要進行讀操作時，F(xiàn)TL首先查詢這個MAP，以獲得映射信息，然后讀取相應的block信息并返回給DOS，從而實現(xiàn)讀映射。當DOS需要寫入操作時，可能存在將bit0修改為1的情況，于是FTL層將申請一個新的block塊，并將新信息寫入，然后修改map信息，記錄這個DOS扇區(qū)已經(jīng)重新映射了，從而實現(xiàn)寫映射。所以，從邏輯上看，F(xiàn)TL層就實現(xiàn)了DOS扇區(qū)的映射和FLASH的寫入管理。