基于Flash存儲器的嵌入式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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首先，將未保存于隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn)保存，清未保存隊(duì)列。 然后將塊隊(duì)列中的所有文件節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到空簇中，同時將文件路徑上的各級目錄加入到未存盤隊(duì)列中。對于塊隊(duì)列中的目錄節(jié)點(diǎn)，則將它和其路徑上的各級目錄加入未存盤隊(duì)列中，按照未保存隊(duì)列的順序，依次將各個目錄寫入Flash 中，最后寫入最新的索引節(jié)點(diǎn)。因?yàn)槟夸浌?jié)點(diǎn)加入未存盤隊(duì)列時，按照目錄層數(shù)的大小排列，所以按照未保存隊(duì)列的順序?qū)懭霑r，可以保證當(dāng)一個目錄要被寫入Flash 時，它的所有下級目錄已被寫入Flash 中。 所有下級目錄在Flash 中的存儲地址都已確定。當(dāng)該文件系統(tǒng)的空間將達(dá)到存儲上限時，可能會出現(xiàn)特殊情況，即廢簇回收時，空簇的空間不足，無法將所有干凈簇重寫。文件系統(tǒng)為此建立了應(yīng)急機(jī)制，先將文件節(jié)點(diǎn)內(nèi)容存在內(nèi)存中，這時新建一個臨時未保存隊(duì)列，專門保存文件節(jié)點(diǎn)，在塊擦寫完成后，將剩余的文件節(jié)點(diǎn)寫入新的空簇中，其算法與圖7 所示流程大致相同。 但是，一旦在擦寫時斷電，會導(dǎo)致該塊上的所有數(shù)據(jù)丟失。
斷電錯誤處理機(jī)制
當(dāng)系統(tǒng)遭遇斷電重新啟動后，索引節(jié)點(diǎn)中的信息會與系統(tǒng)中的狀態(tài)不符，這時便需要錯誤處理機(jī)制。 錯誤一般是索引節(jié)點(diǎn)中標(biāo)注的空簇已被寫入了數(shù)據(jù)，錯誤處理就是將此簇標(biāo)志為臟簇，并查找下一個空簇重新寫入。
多任務(wù)處理機(jī)制
該文件系統(tǒng)允許同時打開多個文件，在多任務(wù)操作系統(tǒng)下，為了避免沖突建立了多任務(wù)處理機(jī)制。系統(tǒng)允許打開的多個文件在內(nèi)存中同時被編輯修改，但是對Flash 寫入操作有限制。 處理方法是設(shè)立Flash 寫入保護(hù)區(qū)，在此區(qū)中只允許當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)執(zhí)行Flash 寫入操作。 實(shí)現(xiàn)Flash 寫入保護(hù)區(qū)的方法是建立一個初始值為1 的信號量，當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)需要Flash 寫入時，首先申請信號量，完成后再釋放信號量。 Flash 寫入保護(hù)區(qū)見圖6 、圖7。在圖6 中，空操作語句是用來對多個文件的保存進(jìn)行同步。 例如，有文件1 和文件2 需要保存，先將文件1 的內(nèi)容寫入Flash 中，文件1 路徑下的目錄節(jié)點(diǎn)被添加到未保存隊(duì)列中，再將文件2 的內(nèi)容寫入Flash 中，文件2 路徑下的目錄節(jié)點(diǎn)也被添加到未保存隊(duì)列中，最后將未保存隊(duì)列中的所有節(jié)點(diǎn)都寫入Flash 中。這樣，如果同一路徑下的兩個文件同時存盤，可避免路徑下的相同目錄節(jié)點(diǎn)被寫入兩次，從而提高了效率。不足之處在于，如果很多文件同時存盤，會導(dǎo)致索引節(jié)點(diǎn)在一段時間內(nèi)都無法寫入Flash 存儲器，有斷電丟失的危險(xiǎn)。但對于一般嵌入式系統(tǒng)來說，很少會碰到這種情況。當(dāng)進(jìn)行Flash存儲器擦寫時，在取塊隊(duì)列首節(jié)點(diǎn)至索引節(jié)點(diǎn)寫入完成這段時間內(nèi)都不允許進(jìn)行其他Flash 存儲器的寫入操作，這是為了保證數(shù)據(jù)的完整性，同時也提高了文件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
無目錄文件系統(tǒng)的優(yōu)化
許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中雖沒有目錄管理的要求，但是對執(zhí)行效率和資源消耗的要求較高。 對于不要求有目錄管理的精簡文件系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時也進(jìn)行了優(yōu)化。精簡文件系統(tǒng)在Flash 中的存儲格式與上述設(shè)計(jì)相同，文件系統(tǒng)中的所有文件信息都保存在索引節(jié)點(diǎn)的根目錄信息表中。精簡文件系統(tǒng)在內(nèi)存中的映象則要簡單很多，只包含索引節(jié)點(diǎn)中的信息，包括簇狀態(tài)表、下一個擦除塊、下一個新節(jié)點(diǎn)的標(biāo)號和根目錄信息，而不用為每個文件都建立內(nèi)存中的映象，節(jié)省大量的內(nèi)存空間。 文件的編輯存盤過程簡化為:打開文件、編輯、將文件寫入Flash 存儲器、將修改后的索引節(jié)點(diǎn)寫入Flash 存儲器。擦寫則只需通過查詢根目錄信息表中的各個目錄項(xiàng)，將塊中的所有文件節(jié)點(diǎn)寫入空簇即可。在無目錄管理的情況下，精簡文件系統(tǒng)占用的內(nèi)存資源可以減少，操作也可便捷，提高了效率。 對于大量只需要按名存取的簡單文件管理的小型嵌入式系統(tǒng)而言，針對Flash 存儲器的簡單文件系統(tǒng)將占用資源少，執(zhí)行效率高，有很大的應(yīng)用價(jià)值。
嵌入式文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及性能分析
該文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用了分層方法，分為3 層4 個部分:應(yīng)用程序接口、文件系統(tǒng)核心、操作系統(tǒng)調(diào)用接口、Flash 存儲器驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)見圖8。
實(shí)現(xiàn)平臺中RTOS 為μC/OSOII 實(shí)時操作系統(tǒng)，CPU 使用三星S4510B作為處理器，F(xiàn)lash 存儲器芯片為FUJ ITSU 的29LV160 TE。 針對不同的實(shí)時操作系統(tǒng)和Flash 存儲器芯片需要實(shí)現(xiàn)不同的操作系統(tǒng)接口和Flash 存儲器驅(qū)動。
針對μC/ OSOII 編寫操作系統(tǒng)調(diào)用接口，包括5個函數(shù): ①系統(tǒng)調(diào)用接口初始化FS_Sys_Interface_Init ( ) ，創(chuàng)建互斥信號量和內(nèi)存分區(qū)； ② Flash 寫入關(guān)閉FS_Sys_Write_Lock ( ) ，禁止Flash 寫入操作，調(diào)用μC/OS-II 中OSMutePend ( ) ； ③ Flash寫入打開FS_Sys_Write_Unlock ( ) ，重新允許Flash 寫入操作，調(diào)用μC/OS-II 中OSMutePost() ； ④內(nèi)存空間申請F(tuán)S_Sys_Mem_Alloc( ) 和內(nèi)存空間添加FS_Sys_Mem_Add ( ) ， 都調(diào)用OSMemGet ( ) 來完成； ⑤內(nèi)存空間釋放FS_Sys_Mem_Free ( ) ，調(diào)用OSMemPut ( ) 完成，將申請的內(nèi)存塊全部釋放。針對29LV160 TE 這款Flash 存儲器芯片，定義一個FlashDef 結(jié)構(gòu)體的全局變量， 用于存儲Flash 器件信息，并且編寫針對此款Flash 的塊擦寫函數(shù)FS_Device_Sector_Erase ( ) 和數(shù)據(jù)寫入函數(shù)FJ FS_Device_Write ( ) 。
完成這兩部分的實(shí)現(xiàn)后，該系統(tǒng)就可運(yùn)行調(diào)試。 測試應(yīng)用程序接口(API) 。應(yīng)該提供的各部分功能，并在突然斷電情況下，測試文件系統(tǒng)的恢復(fù)情況。無目錄管理的精簡文件系統(tǒng)的載入，可在2μs內(nèi)完成，文件寫入耗時主要為閃存的等待時間，系統(tǒng)本身只占用不到200 個字節(jié)的內(nèi)存，產(chǎn)生的代碼段大小為7 K。完整的文件系統(tǒng)載入時，需要建立內(nèi)存中映象，耗時根據(jù)文件數(shù)量的多少而不同，一般為10μs ，產(chǎn)生的代碼段大小為11 K。系統(tǒng)寫入效率較高，在無目錄管理的配置下尤其明顯。試驗(yàn)中系統(tǒng)在多次斷電的情況下，系統(tǒng)仍能恢復(fù)至上次存盤的狀態(tài)，雖會導(dǎo)致個別文件未更新，但不會導(dǎo)致文件系統(tǒng)崩潰。
結(jié) 語
針對Flash 存儲器的固有缺陷設(shè)計(jì)了一種基于Flash 存儲器的嵌入式文件系統(tǒng)。 在文件讀寫時，極大減少了Flash 存儲器擦寫的次數(shù)，提高了效率。 此系統(tǒng)代碼精簡，運(yùn)行時占用內(nèi)存資源少，運(yùn)行效率高，而且有斷電保護(hù)，有較高的安全性。
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