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1、引言 隨著嵌入式系統應用領域的不斷擴大，系統復雜性也在不斷提高。閃存作為廣泛使用的嵌入式存儲設備，其管理技術和訪問方式經歷了一個由開發員直接控制到由操作系統的I/O軟件間接控制的過程。然而目前現有的這些閃存管理方案都不能提供一種方便、統一且移植性好的I/O軟件接口，增加了嵌入式產品的研發周期。因此，本文旨在針對一般的嵌入式應用，設計并實現一種更合理的閃存I/O軟件。該軟件遵循策略與機制分離的原則，采用分層的體系結構，能夠更好得適應底層硬件的變化，可大大提高代碼的可移植性。 2、閃存設備管理技術的現狀及存在的問題 閃存設備不同于一般的非易失性存儲設備，它有很多特殊的存取特性，其中最主要的在執行寫入操作之前必須先擦除目標單元的內容[1]。因此，閃存設備的管理最基本也應該包含對讀、寫操作以及擦除操作的 控制。 對于那些用于工控領域的嵌入式系統，由于它們沒有配置操作系統，整個系統的軟件部分僅由主控程序和一些輔助功能例程構成，所以用戶只能通過系統提供的閃存讀寫例程直接對閃存進行訪問，同時擦除操作執行的時機也需要由用戶自己控制。這樣一來，訪問閃存的應用程序就必須了解閃存的物理特性，如尺寸、擦除塊的地址、大小和操作時間等，從而增加了開發難度，降低了代碼的可移植性。此外，由于閃存的無結構性，應用程序還需要自己管理存儲空間，并按照需要構造數據的存儲格式[2]。 而對于那些配置了操作系統的復雜嵌入式系統（例如嵌入式Linux系統），閃存設備的管理則主要是通過操作系統中的I/O軟件來實現。該I/O軟件遵循Linux通用設備的管理方法[3]，實現了字符訪問與塊訪問的接口，為應用程序訪問閃存提供了一個通用接口。但問題是，該方案在設計軟件結構時沒有很好地遵循策略與機制分離的原則，從而使得軟件結構的層次不夠分明，模塊化程度不高。 另外，在嵌入式Linux系統中還有一種與使用閃存相關的技術，即Ramdisk[4]技術。準確地說，該技術不涉及閃存的管理問題，而是一種通過將計算機的 RAM 用作設備來創建和掛裝文件系統的機制。本文在此提及該技術的原因是它能夠幫助只含閃存和RAM的嵌入式系統使用文件系統（主要指ext2fs類型），并且該技術的存在大大降低了嵌入式系統對閃存的訪問操作，從而簡化了系統對閃存的管理。但是，由于Ramdisk技術不能直接在閃存上使用文件系統，使得修改后的數據不能立刻保存到閃存中，所以在系統異常時容易造成數據的丟失。 經過分析，我們發現上述三種方法在閃存管理方面各有優缺點并各有適用范圍。但是隨著JFFS這種閃存專用文件系統的出現和不斷完善以及嵌入式Linux操作系統應用的不斷深入，越來越多的嵌入式系統開始采用第二種方式管理閃存設備。該方案在一定程度上簡化了應用程序對閃存的訪問操作，但由于其不清晰的軟件結構造成了軟件移植性能差的缺點。 3、閃存設備I/O軟件的分層結構 為了解決上述第二種閃存管理軟件存在的問題，我們在遵循策略與機制分離原則的基礎上，設計出一種更合理的閃存I/O軟件體系結構。具體內容如下（圖1）。 我們設計的閃存I/O軟件自下而上被劃分為四個層次，分別為硬件驅動層、原始設備層、設備層以及設備節點。其中硬件驅動層代碼主要負責在系統啟動時驅動閃存硬件。從抽象層次上看，它是通過使用底層的硬件機制，建立了若干基本的使用閃存硬件的策略代碼。具體過程由芯片探測模塊和操作方法模塊來實現的。其中芯片探測模塊主要負責探測CFI接口閃存芯片的器件數信息[5]，包括芯片大小、芯片編程電壓、編程時間、擦除時間、擦除區域分布情況等，并利用這些信息創建出描述芯片物理特性的數據結構。而操作方法模塊則負責實現最基本的閃存讀、寫及擦除例程。該模塊在芯片探測模塊的基礎上，利用硬件的物理信息就能夠實現特定閃存芯片的管理和訪問方法。 接下來原始設備層代碼就把閃存存儲區從軟件上劃分為幾個不同的區域，并用設備的概念對各分區進行軟件上的封裝，使每個分區設備都擁有包含自身信息的數據結構及設備操作例程。這樣設計的原因，一方面是為了模擬硬盤的物理分區，方便系統對閃存的管理和使用；另一方面又為上層軟件以字符方式和塊方式訪問閃存提供了基礎。具體過程需要通過原始設備實現模塊、設備分區實現模塊來實現，而閃存配置管理模塊則為開發人員根據自身需要任意劃分閃存分區提供了配置接口，提高了系統的靈活性。需要說明的是這三個模塊的實現具有一定的依賴關系，其中箭頭的起始端模塊要依賴于該箭頭指向的模塊。 接著閃存設備層代碼在低層軟件分區的基礎上，用字符設備和塊設備兩種方式來使用閃存原始設備。具體說，該層主要實現字符設備與塊設備的通用接口例程，即文件操作的通用方法，如打開、關閉、定位、讀、寫等。 最后，閃存設備節點層是為了方便應用程序以文件形式訪問閃存設備而創建的設備節點。它的實現并不 需要軟件代碼。 4、閃存設備I/O軟件的實現 嵌入式開發一般都采用主機與目標板相結合的交叉開發方式。因此我們的目標板采用的是Motorola公司基于PowerPC860T處理器的一個網絡通信設備開發板（以下簡稱為NE860）。NE860板上配備有4M NOR型閃存和16M RAM作為存儲器，其中閃存采用的是兩片Intel TE28F160B3T的芯片。主機是一臺運行Redhat 7.2 的PC機，該主機上還安裝有Montavista 嵌入式Linux（以下簡稱MVL）作為實現閃存I/O軟件的載體。具體實現過程如下： (1) 硬件驅動層 由于NOR型閃存芯片的接口不同與一般基于端口的外部設備，不能夠被清晰地劃分為幾個不同用途的端口寄存器；該接口只包括了幾條控制信號線，一組數據線和一組地址線。這樣一來，閃存的數據讀寫操作以及命令寫入和狀態查詢操作都需要在同一組數據線上進行。同時由于完備的地址線能夠讓系統對芯片內的每個字節進行尋址，于是閃存的擦除、寫入等基本操作就可以通過向特定地址寫入特定命令序列[6]的方式來實現的。因此我們的系統在遵循各種操作的特定指令序列[6]基礎上，結合特定芯片的物理信息（保存在專用數據結構struct cfi_private中）實現了閃存的讀、寫、擦除和同步操作。 （2）原始設備層 原始設備層的主要功能是在硬件基礎上把閃存芯片抽象為設備。為了實現這一目標，系統首先要把所有的閃存芯片抽象為一個閃存主原始設備，然后再根據用戶的分區劃分要求（通過管理配置模塊獲得）把主原始設備從軟件上劃分為多個分區設備。這樣一來，分區設備的大部分參數信息實際上都來自于主原始設備，并且分區設備的操作函數也都來自于主原始設備的操作函數。而這些操作的實現是通過調用底層的基本操作完成的。 （3）設備層 閃存設備層主要用來實現字符設備與塊設備的通用接口例程，其中字符設備的各種操作都比較容易實現。這里我們著重介紹一下塊設備的實現。在Linux中，由于塊設備的讀寫請求都是基于扇區（512字節）的，而閃存設備卻不存在物理上的扇區結構，只有擦出塊的概念。況且在通常情況下擦除塊的尺寸都小于512字節，這樣一來就存在一個如何把基于扇區的讀寫操作映射到適當的擦除塊上的問題。由于塊設備主要是為了支持在閃存上創建文件系統，所以該問題的解決我們就借用了JFFS文件系統中有關的設計思想（由于篇幅所限這里不詳述）。 5、系統測試及數據分析 為了驗證該閃存I/O軟件的可移植性和正確性，我們做如下的分析和測試。第一：通過統計閃存I/O軟件中設備相關代碼及設備無關代碼的比例，說明該實現方案的可移植性；第二：通過對閃存I/O軟件子系統一些典型性能指標的測試，說明該I/O軟件結構設計的正確性和有效性。 （1）閃存I/O軟件可移植性的驗證 從理論上講，只有硬件設備驅動層的一部分代碼是與設備相關的，而原始設備層和設備層代碼都是設備無關的。于是，我們得出如下（表1）的統計結果。在新的I/O軟件實現方案下，閃存設備相關代碼為35KB，占總代碼量的24.1%；設備無關代碼為110KB，占總代碼量的75.9%。由此可見，我們的實現方案具有很好的移植性，能夠有效地提高嵌入式產品的開發速度和質量。 （2）閃存I/O軟件有效性的驗證 I/O軟件的一個重要性能指標是設備的數據吞吐率。當應用程序訪問閃存設備文件時，由于每次讀/寫請求的數據度不同，使得設備的瞬時吞吐率也不同。由于我們的I/O系統實現了閃存設備的兩種管理方式：字符設備和塊設備，因此下面我們首先針對字符設備方式測試它的讀/寫吞吐率（見圖2 和圖3）。 通過分析圖2、圖3的數據我們發現，當系統從閃存設備中讀取或寫入小塊數據時，吞吐率會隨著請求數據長度的增加而增大；但是當請求數據長度超過某一臨界值時，讀/寫吞吐率近似都穩定在一個固定值上。 為了進一步驗證上述規律，我們又按照33%的寫請求和67%的讀請求比例，對各種請求數據長度進行了10次讀/寫混合操作測試，其結果如圖4所示。由此可看出，在請求數據長度大于512KB之后，讀寫混合的數據吞吐率穩定在3.59MB/S上，這一結果與圖2和圖3所示結果完全一致。并且該吞吐率變化規律符合常見嵌入式應用中閃存的讀、寫特性，其指標也基本上能夠達到應用需求。 對于塊設備方式，我們主要測試基于閃存文件系統的一些典型文件操作性能。其結果如表2所示。該表的第一列代表了執行的文件操作，其中create和wirte代表創建文件并向該文件寫入X個字節數據的操作；open和read則代表打開文件并從該文件讀出X個字節數據的操作。X的大小按照表中第一行數值的變化而變化。測試數據表明閃存I/O軟件塊設備功能是正確和有效的。 6、結束語 本文在分析了嵌入式系統現有的各種閃存管理技術缺點的基礎上，設計并實現了一種分層合理、模塊劃分清晰且移植性好的閃存I/O軟件。系統的測試數據表明，該I/O軟件能夠實現對閃存設備的基本管理和訪問，可以滿足一般嵌入式系統對數據存儲器的應用需要。另一方面，由于硬件平臺的資源所限，我們只實現了對NOR型閃存的管理；隨著性能更優的NAND型閃存的廣泛使用，我們下一步的工作就是要將上述軟件代碼移植到NAND型閃存器件上，進一步檢驗該軟件的性能。 |
