基于虛擬扇區(qū)的Flash存儲管理技術(shù)

基于虛擬扇區(qū)的Flash存儲管理技術(shù)

摘要：首先，針對閃存Flash的存儲編程特點(diǎn)，提出一種基于虛擬扇區(qū)的閃存管理技術(shù)，使系統(tǒng)對Flash的擦寫次數(shù)大大降低，從而提高Flash的使用壽命和整個系統(tǒng)的性能。然后，通過嵌入式系統(tǒng)電子名片管理器，介紹這一技術(shù)的使用。隨著閃存的廣泛應(yīng)用，對Flash的有效存儲管理將有很大的實(shí)用意義和社會效益。

關(guān)鍵詞：閃存Flash虛擬扇區(qū)VSS存儲管理扇區(qū)分配表SAT

引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，大量需要一種能多次編程，容量大，讀寫、擦除快捷、方便、簡單，外圍器件少，價格低廉的非易揮發(fā)存儲器件。閃存Flash存儲介質(zhì)就是在這種背景需求下應(yīng)運(yùn)而生的。它是一種基于半導(dǎo)體的存儲器，具有系統(tǒng)掉電后仍可保留內(nèi)部信息，及在線擦寫等功能特點(diǎn)，是一種替代EEPROM存儲介質(zhì)的新型存儲器。因?yàn)樗淖x寫速度比EEPROM更快，在相同容量的情況下成本更低，因此閃存Flash將是嵌入式系統(tǒng)中的一個重要組成單元。

然而，由于Flash讀寫存儲的編程特點(diǎn)，有必要對其進(jìn)行存儲過程管理，以使整個系統(tǒng)性能得以改善。

1閃存Flash的存儲編程特點(diǎn)

Flash寫：由1變?yōu)?，變?yōu)?后，不能通過寫再變?yōu)?。

Flash擦除：由0變?yōu)?，不能只某位單元進(jìn)行擦除。

Flash的擦除包括塊擦除和芯片擦除。塊擦除是把某一擦除塊的內(nèi)容都變?yōu)?，芯片擦除是把整個Flash的內(nèi)容都變?yōu)?。通常一個Flash存儲器芯片，分為若干個擦除block，在進(jìn)行Flash存儲時，以擦除block為單位。

當(dāng)在一個block中進(jìn)行存儲時，一旦對某一block中的某一位寫0，再要改變成1，則必須先對整個block進(jìn)行擦除，然后才能修改。通常，對于容量小的block操作過程是：先把整個block讀到RAM中，在RAM中修改其內(nèi)容，再擦除整個block，最后寫入修改后的內(nèi)容。顯然，這樣頻繁復(fù)雜的讀-擦除-寫操作，對于Flash的使用壽命以及系統(tǒng)性能是很不好的，而且系統(tǒng)也常常沒有這么大的RAM空間資源。一種基于虛擬扇區(qū)的管理技術(shù)可以有效地控制Flash的擦寫次數(shù)，提高Flash的使用壽命，從而提高系統(tǒng)性能。

2基本原理

概念

VSS，虛擬小扇區(qū)：以它為單位讀寫Flash內(nèi)容。

VSSID，虛擬小扇區(qū)號：只通過虛擬扇區(qū)號進(jìn)行存儲，不用考慮它的真實(shí)物理地址。

SI，分割號：一個擦寫邏輯塊中物理扇區(qū)的順序分割號。

BI,塊號：Flash芯片中按擦除進(jìn)行劃分的塊號。

SAT，扇區(qū)分配表：一個擦寫邏輯塊中的扇區(qū)分配表。一個SAT由許多SAT單元組成，一個SAT表對應(yīng)一個Block，一個SAT單元對應(yīng)一個VSS。

每個SAT單元最高兩位為屬性位，后面各位為VSSID號。如果一個SAT單元由16位組成，則VSSID最大可以達(dá)到16×1024；而如果SAT單元由8位組成，則VSSID最大可以達(dá)到64，具體約定由應(yīng)用情況而定。

實(shí)現(xiàn)原理

把每個block分為更小的虛擬邏輯塊，稱為虛擬扇區(qū)，扇區(qū)大小根據(jù)應(yīng)用而定。每個block前面的一固定單元用于記錄本block中扇區(qū)分配的使用情況，包括扇區(qū)屬性及扇區(qū)邏輯號。圖1為邏輯扇區(qū)劃分示意圖。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫和修改時，以虛擬扇區(qū)塊的大小為單位。要修改某一扇區(qū)的數(shù)據(jù)時，先讀出這個扇區(qū)的內(nèi)容，重新找一個未使用的扇區(qū)，把修改后的內(nèi)容寫入這個新扇區(qū)。然后，修改原來扇區(qū)的屬性值為無效，修改這個新扇區(qū)的屬性為有效，拷貝VSSID號到新扇區(qū)對應(yīng)的SAT單元中。

這樣，當(dāng)某一個block中的SAT屬性都標(biāo)為無效時，才對當(dāng)前block進(jìn)行擦寫?？梢姡蕴摂M扇區(qū)大小為單位的存儲管理，對Flash塊的擦寫次數(shù)可大大減少，從而提高了系統(tǒng)性能。

3VSS管理實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

常數(shù)部分

#defineBLOCKSIZE128*1024//可根據(jù)Flash型號修改

#defineSECTORSIZE512//可根據(jù)Flash型號及應(yīng)用情況修改

#defineMAX_BLOCK8//可擦除塊個數(shù)

#defineMAX_SI_1B255//每個可擦除塊中有效SI個數(shù)

#defineSATSIZE510//扇區(qū)分配表大小

#defineVSS_MASK0XC000//VSS屬性屏蔽值

#defineVSS_FREE0XC000//VSS為未使用的屬性值

#defineVSS_VALID0X4000//VSS為有效的屬性值

#defineVSS_INVALID0X0000//VSS為無效的屬性值

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)部分

unsignedcharVSS_Table[MAX_BLOCK][MAX_SI_1B/8];用于記錄Flash中各個block的使用情況。數(shù)組中的某位為1，表示相應(yīng)sector為未使用；否則，為已經(jīng)寫過，系統(tǒng)通過這個表可以跟蹤各個block的使用情況。

函數(shù)功能部分

1）Flash_Format()//擦除整塊Flash存儲介質(zhì)。

2）Flash_Init()//對VSS管理系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，填充VSS_Table表，統(tǒng)計Flash的使用情況。在系統(tǒng)復(fù)位初始時調(diào)用。

3）Block_Erase(intblockID)//擦除塊號為blockID的塊。

4）Find_VSS(intvss)//查找VSS所在的blockID及

分割號SI。

5）Get_Addr(intvss)//取得VSS所在的物理地址。

6）Scan_SAT(intblockID)//整理塊號為blockID的SAT，填充VSS_Table[]。

7）Flash_Read(longaddr,char*pdata,intlen)//從物理地址為addr的Flash處讀取len個字節(jié)到pdata。

8）Flash_Write(longaddr,char*pdata,intlen)//寫pdata中長度為len的數(shù)據(jù)到指定地址為addr的Flash中。

9）Read_Sat(intbi)//讀取塊號為blockID的SAT。

10）IsValid(vat)//檢查本SAT單元屬性是否有效。

11）IsFree(vat)//檢查本SAT單元屬性是否未使用。

12）IsInvalid(vat)//檢查本SAT單元屬性是否無效。

13）Read_VSS(addr)//從地址為addr處讀一個VSS。

14）Write_VSS(addr,*pData)//把pData中的內(nèi)容寫到從地址addr開始的一個VSS中。

4計算VSSID的物理地址

要對某個VSSID進(jìn)行讀寫操作，必須先找到其物理地址。

定位某個VSSID物理地址的過程如下。

①查找這個VSSID所在的塊號以及在這個塊中所處的分割號。

從第一個block開始，搜索這個塊的SAT表。首先搜索屬性，只有屬性為有效的才比較VSSID號。如果條件滿足，記錄所在的塊號BI及SAT的位置，即扇區(qū)分割號SI；否則，block號增加，繼續(xù)按照上面步驟查找。

bFound=0;

for(inti=0;iMAX_block;i++)

{//讀取對應(yīng)block的SAT表

psat=ReadSat(i)

for(j=0;jMAX_SI_1B;j++)

{//分析每個SAT單元

sat=*psat++;

if(IsValid(sat))//比較屬性是否有效

{//比較邏輯號是否相等，相等設(shè)置標(biāo)志退出

if(Equal(sat,VSSID)){bFound=1;break;}

}

}

if(bFound){bi=i;si=j;break;}//找到后記錄塊號和分割號退出

}

②找到VSSID所在的塊號及分割號后，這個VSSID的物理地址為

ADDR=整個Flash的偏地址+

BLOCKID*BLOCKSIZE+SATSIZE+SI*SECＴＥＲＳＩＺＥ。

５應(yīng)用

應(yīng)用于名片記錄管理系統(tǒng)：由于名片記錄很大，而且記錄很多，存在常常修改的情況，因此可以使用Flash作存儲介質(zhì)。

名片記錄結(jié)構(gòu)為

structCARD

{

charname[10];//姓名：１０字節(jié)

charposition[15];//出職務(wù)：１５字節(jié)

charcompanyname[40];//公司名稱：１５字節(jié)

charmobilephone[11];//手機(jī)號碼：１１字節(jié)

charhomephone[15];//家庭電話：１５字節(jié)

charofficephone[15];//辦公電話：１５字節(jié)

charEmail[30];//郵件地址：３０字節(jié)

charhomepage[30];//公司３０字節(jié)

charremark[40];//備注：４０字節(jié)

｝card_record;

每個名片記錄大小為：１８１字節(jié)。

對于１ＭＢ的Flash，分為８個block，每個block為１２８ＫＢ。

針對以上情況，作如下分配

每個扇區(qū)大小為１８１字節(jié)；

ＳＡＴ大小為１４３２字節(jié)，每個ＳＡＴ單元用１６位；

分為７１６個扇區(qū)，也相當(dāng)于１個block能存７１６條名片記錄，則１３１０７２－１４３２－７１６×１８１＝４４字節(jié)為空閑。

常數(shù)定義部分修改

#defineblockSIZE128*1024//每個block大小

#defineSECTORSIZE181//每個扇區(qū)大小

＃defineMAX_SI_1B716//每個可擦除塊中有ＳＩ個數(shù)

＃defineSATSIZE1432／／扇區(qū)分配表大小

#defineVSS_MASK0XC000//ＶＳＳ屬性屏蔽值

#defineVSS_FREE0XC000//VSS為未使用的屬性值

＃defineVSS_VALID0X4000//VSS為有效的屬性值

＃defineVSS_INVALID0X0000//VSS為無效的屬性值

約定：首先對名片進(jìn)行編號，且約定名片的編號對應(yīng)于ＶＳＳＩＤ邏輯號。

a)記錄增加。增加一個記錄時，根據(jù)提供的ＶＳＳＩＤ號，首先查找這個記錄號是否在使用。如果還沒有使用，首先查找這個記錄號是否在使用。如果還沒有使用，則申請一個未使用的ＶＳＳ，把相在內(nèi)容寫入這個ＶＳＳ，修改其對應(yīng)的ＳＡＴ單元，寫入有效屬性值和ＶＳＳＩＤ號；否則，進(jìn)入記錄修改過程。

b)記錄刪除。要刪除一個記錄時，根據(jù)提供的ＶＳＳＩＤ號，查找ＳＡＴ表。如果找到，修改其對應(yīng)的ＳＡＴ屬性為無效；否則，說明這個記錄不存在。

c)記錄查找。①由ＶＳＳＩＤ號進(jìn)行的查找：根據(jù)提供的ＶＳＳＩＤ號，查找所有的ＳＡＴ表中屬性為有效的ＶＳＳＩＤ，返回相應(yīng)的ＢＩ及ＳＩ。②根據(jù)名片的用戶名查找：檢測所有的ＳＡＴ表中屬性為有效的ＶＳＳＩＤ，得到相應(yīng)的ＢＩ及ＳＩ，由ＢＩ及ＳＩ定位到指定Flash物理地址讀入用戶各

到ＲＡＭ中，比較是否相等。如果相等，讀取并返回ＳＡＴ單元的ＶＳＳＩＤ；否則，繼續(xù)查找。

d)記錄修改。當(dāng)要修改一名片記錄時，由ＶＳＳ