MAXQ處理器的非易失存儲功能

圖1. 數(shù)據(jù)單元報頭結(jié)構(gòu)

寫數(shù)據(jù)單元時，寫子程序必須知道要寫的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)單元的長度和數(shù)據(jù)要寫的位置。很容易可以知道數(shù)據(jù)寫在哪個地址;無論是新數(shù)據(jù)單元還是更新已有的數(shù)據(jù)單元，都會寫在存儲陣列的末尾。寫命令會搜索陣列的末尾，緊接著在最后一個記錄后寫入新的數(shù)據(jù)單元。假如在當(dāng)前的存儲頁面沒有足夠的空間保存特定長度的數(shù)據(jù)元，就會出現(xiàn)頁面結(jié)束標(biāo)志并打開一個新頁面。圖2是這種典型的數(shù)據(jù)頁面的結(jié)構(gòu)。

在這個數(shù)據(jù)頁面中，先寫數(shù)據(jù)單元1，并更新。接著寫數(shù)據(jù)單元4，但從不更新。隨后是數(shù)據(jù)單元3，共更新7次。最后寫入數(shù)據(jù)單元2，從不更新。

頁面結(jié)束標(biāo)志的出現(xiàn)表明曾執(zhí)行寫操作，但數(shù)據(jù)單元太長不能填入當(dāng)前頁面。會打開一個新頁面以填寫數(shù)據(jù)單元。在整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的末尾會分配一個空單元，這里本該是一個數(shù)據(jù)單元的報頭。

圖2. 典型的數(shù)據(jù)頁面

要注意這種方案并沒有涉及重復(fù)記錄的問題。因為重復(fù)記錄不會有問題。事實上，讀和寫程序都會完全忽略重復(fù)記錄。寫操作時，不管同樣編號的記錄是否存在，新記錄都會寫在陣列的末尾。當(dāng)讀操作時，只有符合請求記錄編號的最后一個(所以是最近的)記錄可以讀到。

從陣列中讀取數(shù)據(jù)元會比寫操作更復(fù)雜。讀功能會收到數(shù)據(jù)元編號和數(shù)據(jù)元應(yīng)該寫入的地址。當(dāng)執(zhí)行此命令時，讀操作會從陣列的最開始進(jìn)行搜索。當(dāng)它找到一個記錄符合被請求的數(shù)據(jù)元，它會保存這個地址并繼續(xù)搜索。當(dāng)它找到另外一個匹配的記錄時，讀命令會用新地址替代已保存的地址。當(dāng)搜索到陣列的末尾時，保存的地址就會是符合請求記錄的最近寫入的記錄。當(dāng)執(zhí)行讀操作時，就會把這個數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中。

盡管所介紹的用來從存儲陣列中保存和讀取記錄的主讀機制是可行的，還會存在一個問題：沒有機制可以重新使用被過時的記錄占用的空間(也沒有機制可以刪除記錄。但由于這種方案是針對嵌入式應(yīng)用開發(fā)的，所以可能不會是個很嚴(yán)重的問題。)。如果不重新恢復(fù)一些空間，這些之前被分配的空間會很快用盡。由于閃存只能每次擦除一整個頁面，恢復(fù)空間意味著擦除整個頁面。另外一個更嚴(yán)重的問題是閃存頁面不能被隨便擦除，會存在刪除有用信息的風(fēng)險。唯一的可選方案是在刪除整個舊頁面之前，把有用信息復(fù)制到一個新頁面。

從廢舊的記錄中恢復(fù)空間有三個步驟。第一，打開新頁面，把每個數(shù)據(jù)元的最近版本復(fù)制到新頁面中。第二，擦除舊頁面。第三，對新頁面做頁面標(biāo)示，是讀命令可以找到新頁面。

第一個步驟比較復(fù)雜，需要更詳細(xì)的檢查。完成這個步驟最簡單的方法可以分成兩個子步驟：第一，使用一個RAM保存記錄編號和陣列中最近記錄的地址;第二，從RAM陣列逐一復(fù)制最近記錄到新閃存頁面。這個過程最快，并且相對簡單。

使用這兩個子步驟存在的問題是MAXQ2000只有1k字的RAM空間。上述方案限制了可以保存到RAM中作緩存的數(shù)據(jù)量。這明顯是不能接受的。

這種難題的解決方案非常耗時，但不管存儲陣列變得多大(合理范圍內(nèi))都是可行的。為源陣列中的每一項條目單獨操作，而不是在RAM中建立指針。因此，算法可以簡化為：

從源陣列讀取一個數(shù)據(jù)元。

在目標(biāo)陣列中搜索這個數(shù)據(jù)單元。假如找到了，就說明這個數(shù)據(jù)單元已經(jīng)寫入。源指針增加并返回步驟1。

在源陣列中搜索這個數(shù)據(jù)單元最近記錄。

把這個數(shù)據(jù)單元的最近記錄寫入目標(biāo)陣列中。

源指針增加并返回步驟1。

最后，在目標(biāo)陣列中，每個數(shù)據(jù)元都有精確的條目對應(yīng)。填寫后的頁面如圖3示意。這樣，就可以安全擦除源頁面，并把頁面報頭寫入目標(biāo)陣列。

圖3. 空間恢復(fù)后，圖2中的數(shù)據(jù)頁面會如此表現(xiàn)。

這個過程對于數(shù)據(jù)存儲會非常安全。然而，當(dāng)使用閃存器件時還要面對另一個風(fēng)險：在寫或者擦除操作中掉電。假如發(fā)生掉電，有可能會破壞一個或者多個頁面 (例如寫操作)或者不能完全擦除頁面(例如擦除操作)。而我們這種緊湊的操作從本質(zhì)上講是安全的?？梢钥紤]以下的情況：

假如在填寫操作時掉電，源頁面仍然保持完整。當(dāng)重新上電后，很容易辨別新寫的頁面(他們沒有頁面報頭)并把它擦除，再重新啟動填寫操作。

假如在正擦除舊頁面時掉電，可能會包含無效的報頭?？梢圆脸@些頁面并把報頭添加到新頁面。

假如在正把頁面報頭寫入到新頁面時掉電，數(shù)據(jù)仍然是完整的。頁面報頭更新操作可以再次重新啟動。

簡言之，這些預(yù)料之外的突發(fā)事件不會導(dǎo)致陣列數(shù)據(jù)被破壞并不可恢復(fù)。

方案2的改進(jìn)

這里介紹的存儲子系統(tǒng)沒有錯誤檢測的機制。在數(shù)據(jù)元標(biāo)識符中有一些位(這里的是6位)沒有被使用。可以使用CRC6算法(x6 + x + 1)根據(jù)數(shù)據(jù)元計算出CRC以確保沒有發(fā)生讀寫錯誤。這雖然不是特別強大的算法(它會錯過多位錯誤中的1/64)，它可以檢測到多數(shù)可能發(fā)生的錯誤。

這個方法對系統(tǒng)的另一個限制是讀取時間很長。每次讀操作都需要讀取陣列中的所有記錄，以找到最近的記錄。有3個方法可以用來縮短讀取時間：

在數(shù)據(jù)單元中為正向指針留一個空字節(jié)。當(dāng)數(shù)據(jù)更新時，為正向指針分配一個新的入口地址。按照這種方式，數(shù)據(jù)表格可以按鏈表的方式移動。

向后移動表格。這樣就可以在被請求信號第一次出現(xiàn)時停止搜索。

假如單元數(shù)量很少，可以在啟動時建立一個RAM陣列，包含單元ID和指針。后面的讀取會很快。只需讀RAM陣列以決定從哪兒獲取數(shù)據(jù)單元。

結(jié)論

非易失數(shù)據(jù)存儲是每位設(shè)計工程師遲早都必須面對的問題。使用MAXQ處理器靈活的閃存，就不用再借助于串行存儲保存配置數(shù)據(jù)了。