嵌入式系统Flash存储管理策略研究

1 引言

嵌入式系统中通常都需要存放一些非易失性数据， 并且数据量的大小和数据类型根据不同系统需求差异很大。因此选取合适的存储器是完成数据存储系统的第一步， 更重要的是使存储系统长期稳定、高效的工作， 这就必须寻求一个完备的存储器数据管理方法［ 1］ 。本文介绍了一种适用于无文件系统环境下的N OR Flash 管理方法， 采用分块管理和状态转换的方法使得Flash 的使用效率和操作可靠性得到大大提高。

2 NOR Flash 存储器及其特性

NOR Flash 和NAND Flash 是目前市场上两种主要的Flash 存储器。一般在非海量存储型的嵌入式设备中都是直接采用NOR Flash 作为程序代码和非易失性数据的存储器， 这主要是由NORFlash 的特点所决定的。NOR Flash 的特点如下：

1） 存储容量较小， 一般在1~ 16MByte 之间。

2） 具有和SRAM 相同的接口， 随机读取速度快， 可以做到芯片内执行（ XIP） ［ 2］ 。

3） 存储单元只能由1 写成0， 因此进行写操作前必须先进行擦除操作， 使对应的单元变成1。

4） 器件有一定的使用寿命， 一般为10~ 100 万次。随着使用次数的增加， 可能有的单元会失效。但是NOR Flash 出厂时器件的每个单元都有效。NOR Flash 的众多特性使得它成为嵌入式系统设计中首选的存储器器件。由于NOR Flash 的擦除操作都是以块为单位的， 并且不同种类的NOR Flash 器件所支持的擦除单位可能不一样， 但是每种NOR Flash 器件都支持64KB 为单位的擦除［ 3~ 4］ ， 因此后面介绍的分块管理方法将以64KB为块基本单位， 从而解决分块管理方法在不同种类NOR Flash 器件上实现时所出现的数据备份问题。

3 NOR Flash 分块管理方法

为了均衡每个Flash 分块的使用次数， 提高整个存储器件的使用寿命， 对Flash 采用分块管理的方法［ 5］ 。以64KB 为单位， 将系统分配用作非易失性数据区域进行分块操作， 其中每个分块又分成16 字节的头部信息与数据区域。分块示意图如图1 所示。

图1 分块示意图

正是利用分块的头部信息， 进行擦除次数均衡与分块状态的切换。对于头部几个主要字段的定义如下：

1） Block_Flag （ 8bit） ： 用于标志分块的状态， 总共有BF _NOT _ INIT （ 0xFF） 、BF _FREE （ 0xFE）、BF_COPYING_ DATA （ 0xFC ）、BF _ COPY _ FINISHED（0xF8） 、BF_INUSE（ 0xF0） 、BF_SRC_DATA （ 0xE0） 、BF_ERASING（ 0xC0）、BF_INVALID（0x00） 8 种状态。

2） Blo ck _ Data _ T ype （ 8bit ） 和Blo ck _ Data _Ty pe_Ext （ 8bit ） ： 分别表示该分块存储的数据类型和子类型， 这两个字段都由应用程序所存储的数据类型决定。例如学生信息的存储， 可能的一种存储方法是一个分块存储学生的学号信息， 而其它几个分块存储学生的具体信息， 这时它们的数据类型一样， 但是子类型却不一样。

3） Block_Erase_Counter（ 32bit ） ： 该字段用来动态记录每个分块的擦除次数， 从而方便应用程序对Flash 分块的使用次数进行均衡。

4） Next_Off set （ 16bit ） ： 该字段为将来扩展之用， 用来将64K 的分块空间进一步细化， 使得将来1 个64K 空间内可以存储不同类型的数据。