VxWorks文件系統(tǒng)、Flash的TFFS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

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

一般情況下，磁盤(pán)文件系統(tǒng)大多是基于sector的文件系統(tǒng)，磁盤(pán)按照物理上分為柱面、磁盤(pán)、扇區(qū)，扇區(qū)是基于塊的文件系統(tǒng)操作的基本存儲(chǔ)單位，磁盤(pán)的容量都是根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的，每個(gè)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(duì)物理介質(zhì)進(jìn)行操作。由于Fish的物理特性，對(duì)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(shí)現(xiàn)，這就是TFFS所起的作用。

1 VxWorks文件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

VxWorks文件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及TFFS在整個(gè)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(gè)可選組件，它可為種類繁多的Flash設(shè)備提供一個(gè)統(tǒng)一的塊設(shè)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(dāng)于磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)TFFS可使上層的DOSFS或RTll文件系統(tǒng)像操作普通的標(biāo)準(zhǔn)磁盤(pán)一樣來(lái)操作Flash。

2 TFFS文件系統(tǒng)的分層

圖2所示為T(mén)FFS文件系統(tǒng)的分層圖。圖中的Core Layer內(nèi)核層可將其他層連接起來(lái)協(xié)同工作；翻譯層主要實(shí)現(xiàn)DOS和TFFS之間的交互、管理文件系統(tǒng)和Flash各個(gè)物理塊的關(guān)系，同時(shí)支持TFFS的各種功能，如磨損均衡、錯(cuò)誤恢復(fù)等；MTD層執(zhí)行底層的程序驅(qū)動(dòng)(map、read、write、erase等)；socket層的名稱來(lái)源于可以插拔的socket存儲(chǔ)卡，主要提供與具體的硬件板相關(guān)的驅(qū)動(dòng)。



3 FTL層分析

FTL是TFFS文件系統(tǒng)的核心，它是PCMCIS的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)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(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的操作，實(shí)質(zhì)上就是在Flash設(shè)備上模擬磁盤(pán)塊設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，為基于塊的文件系統(tǒng)提供統(tǒng)一的接口。FTL通過(guò)以下幾步來(lái)模擬磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)：首先是在Flash擦除塊之外定義小的讀寫(xiě)塊(相當(dāng)于磁盤(pán)扇區(qū))；其次是邏輯扇區(qū)(對(duì)塊文件系統(tǒng)如DOSFS呈現(xiàn)的地址)和物理地址(Flash的實(shí)際地址)之間的轉(zhuǎn)換；然后管理Flash，使得能在空閑的地方寫(xiě)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(shí)現(xiàn)DOS層從邏輯上看扇區(qū)是連續(xù)的，可隨時(shí)對(duì)任意bit讀寫(xiě)操作，F(xiàn)TL必須提供對(duì)Flash芯片的管理，包括向上層(DOS層)提供可以任意讀寫(xiě)的操作接口，向下對(duì)Flash的擦除、寫(xiě)入、讀取統(tǒng)一管理，同時(shí)還必須提供磨損均衡，以防止一個(gè)擦除塊提前損壞。

3.1 FTL的啟動(dòng)過(guò)程分析

在我們調(diào)用函數(shù)tffsDevCreate創(chuàng)建TFFS文件系統(tǒng)時(shí)，會(huì)以參數(shù)FL_MOUNT_VOLUME調(diào)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(guò)程首先是初始化FTL，然后就可按下列步驟進(jìn)行：

(1)查找第一個(gè)合法的unit頭信息

合法性的判斷依據(jù)是unit header頭上的標(biāo)志CISF．．FTL100和部分頭部的flag信息，由于bsp已把FS的相關(guān)信息注冊(cè)到FTL的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(yàn)信息合法性

將所有有用的信息都讀出到內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中后，即可檢驗(yàn)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(gè)文件系統(tǒng)的共用信息都可以從首先找到的頭中讀出來(lái)。

(3)給Mount每一個(gè)unit建立page表

這是mount最重要的過(guò)程，對(duì)每個(gè)unit調(diào)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(duì)每個(gè)BAM選項(xiàng)進(jìn)行處理，并對(duì)垃圾B(niǎo)AM、空閑BAM進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(nèi)存的page表中，以便后續(xù)映射訪問(wèn)查詢使用，而對(duì)于非緩沖的BAM數(shù)據(jù)，則不作處理，另外，對(duì)于交換page的VBM，則進(jìn)行記錄?？紤]到上述過(guò)程，可見(jiàn)其系統(tǒng)中的page VBM和緩沖的數(shù)據(jù)BAM分布在各個(gè)unit的各個(gè)角落，需要將所有的VBM和緩沖數(shù)據(jù)BAM收集起來(lái)建立整個(gè)交換page表，這是FTL標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)時(shí)就要決定的。

(4)檢驗(yàn)邏輯unit的完整性

當(dāng)所有的unit都mount完成后，每個(gè)邏輯unit都應(yīng)存在，否則mount失敗。

(5)判斷并關(guān)閉交換page

如果系統(tǒng)中已存在交換page，則對(duì)系統(tǒng)中存在的交換page進(jìn)行關(guān)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(gè)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(gè)，都將導(dǎo)致DOS的虛擬扇區(qū)無(wú)法映射到相應(yīng)的邏輯扇區(qū)。

從上述過(guò)程可見(jiàn)，整個(gè)mount過(guò)程是將文件系統(tǒng)信息讀入內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并檢驗(yàn)的過(guò)程，這個(gè)Mount PTL過(guò)程完成后，mountvolume ()函數(shù)即將隱蔽的0扇區(qū)和DOS的啟動(dòng)扇區(qū)信息讀入內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣，DOS就可以訪問(wèn)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(gè)R／W block塊中，同時(shí)在某個(gè)位置記錄一個(gè)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(gè)block，當(dāng)DOS要進(jìn)行讀操作時(shí)，F(xiàn)TL首先查詢這個(gè)MAP，以獲得映射信息，然后讀取相應(yīng)的block信息并返回給DOS，從而實(shí)現(xiàn)讀映射。當(dāng)DOS需要寫(xiě)入操作時(shí)，可能存在將bit0修改為1的情況，于是FTL層將申請(qǐng)一個(gè)新的block塊，并將新信息寫(xiě)入，然后修改map信息，記錄這個(gè)DOS扇區(qū)已經(jīng)重新映射了，從而實(shí)現(xiàn)寫(xiě)映射。所以，從邏輯上看，F(xiàn)TL層就實(shí)現(xiàn)了DOS扇區(qū)的映射和FLASH的寫(xiě)入管理。