TrueFFS原理及其在CF卡上的實(shí)現(xiàn)

摘要：CF卡是一種基于Flash技術(shù)的容量大、攜帶方便的存儲(chǔ)介質(zhì)，已在嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用；但是，有限的擦寫(xiě)次數(shù)極大地限制了CF卡的使用壽命。TrueFFS通過(guò)一系列算法，能夠延長(zhǎng)CF卡的使用壽命，提高CF卡的使用效率。文章介紹了TrueFFS的原理，在CF卡上實(shí)現(xiàn)TrueFFS的方法，并對(duì)TrueFFS的性能進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：TrueFFS 損耗均衡 閃速存儲(chǔ)器 CF卡

閃速存儲(chǔ)器最大的一個(gè)缺點(diǎn)就是壽命有限?？刹脸拇螖?shù)因芯片廠商而有所不同，一般都在1萬(wàn)～10萬(wàn)次左右。為了延長(zhǎng)閃速存儲(chǔ)器的壽命，提高使用效率，Msystems公司推出了TrueFFS系統(tǒng)。它為種類繁多的閃速存儲(chǔ)器提供了統(tǒng)一的塊設(shè)備接口，并且具有可重入、線程安全的特點(diǎn)；支持大多數(shù)流行的CPU架構(gòu)，如PowerPC、MIPS、ARM、X86、68K等。

由于個(gè)性鮮明的閃速存儲(chǔ)器越來(lái)越受到嵌入式系統(tǒng)工程師的青睞，業(yè)界流行的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks已將TrueFFS作為自身的一個(gè)可裁減的模塊。目前該模塊的版本為2.0，支持Intel、AMD、Toshiba、Fujitsu等廠家生產(chǎn)的大多數(shù)型號(hào)的閃速存儲(chǔ)器和Flash卡，用戶只需要更改少量代碼，甚至可直接調(diào)用；但是，該模塊對(duì)如今風(fēng)靡的CF卡缺乏支持。

CF卡采用了Flash技術(shù)。形象地說(shuō)，CF卡就是由若干片閃速存儲(chǔ)器外加一個(gè)管理器組成；但是，CF卡具有攜帶方便、易于升級(jí)、存儲(chǔ)量大、抗震性好、兼容性佳等優(yōu)點(diǎn)。目前，CF卡標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)到1.4版本，容量從最早的2MB到現(xiàn)今的1GB。然而，有限的擦寫(xiě)閃數(shù)是閃速存儲(chǔ)器遺傳給CF卡的先天缺陷。本文介紹如何在CF上實(shí)現(xiàn)TrueFFS系統(tǒng)，硬件平臺(tái)以PowerPC處理器（MPC8250，Motorola公司）為CPU，嵌入式操作系統(tǒng)是VxWorks。

1 TrueFFS的結(jié)構(gòu)

TrueFFS本身并不是一個(gè)文件系統(tǒng)，需要在TrueFFS之上加載DOS文件系統(tǒng)才能使用，否則毫無(wú)意義。TrueFFS屏蔽了下層存儲(chǔ)介質(zhì)的差異，為開(kāi)發(fā)者提供了統(tǒng)一的接口方式。應(yīng)用程序?qū)Υ鎯?chǔ)設(shè)備的讀寫(xiě)就對(duì)像對(duì)擁有DOS文件系統(tǒng)的磁碟設(shè)備的操作一樣。

如圖1所示，TrueFFS由1個(gè)核心層和3個(gè)功能層組成：編譯層、MTD層（Memory Technoilogy Driver）、Socket層。

翻譯層主要實(shí)現(xiàn)TrueFFS和DOS文件系統(tǒng)之間的高級(jí)交互功能，管理文件系統(tǒng)和Flash中各物理可擦塊的關(guān)系，以及TrueFFS中各種智能化處理功能，例如塊映射、損耗均衡（wear-leveling）等。目前有三種不同的翻譯層模塊可供選擇。選擇哪一種模塊要根據(jù)使用的Flash介質(zhì)采用NOR技術(shù)、還是NAND技術(shù)，或者SSFDC技術(shù)而定。

MTD層實(shí)現(xiàn)對(duì)具體的Flash進(jìn)行讀、寫(xiě)、擦、ID識(shí)別、映射等驅(qū)動(dòng)，并設(shè)置與Flash密碼相關(guān)的一些參數(shù)。VxWorks的TrueFFS已經(jīng)包括了支持Intel、AMD、Toshiba等廠商的大多數(shù)Flash芯片的MTD層驅(qū)動(dòng)。新的器件需要編寫(xiě)新的MTD層驅(qū)動(dòng)。

Socket層提供了TrueFFS和硬件之間的接口服務(wù)，負(fù)責(zé)電源管理、檢測(cè)設(shè)備插拔、硬件寫(xiě)保護(hù)、窗口管理和向系統(tǒng)注冊(cè)Socket等。

核心層將其它三層有機(jī)結(jié)合起來(lái)，處理全局問(wèn)題，例如信息量、計(jì)時(shí)器、碎片回收和其它系統(tǒng)資源等。

我們最關(guān)心的是MTD層和Socket層。VxWorks只提供了編譯后的二進(jìn)制形式的核心層和翻譯層驅(qū)動(dòng)。在實(shí)現(xiàn)TrueFFS應(yīng)用之間，先介紹一下TrueFFS的原理。

2 TrueFFS原理

2．1 損耗均衡

閃速存儲(chǔ)器不能無(wú)限次重復(fù)使用。它的每個(gè)扇區(qū)的擦除次數(shù)雖然很大，但卻有限；因此，隨著使用次數(shù)的加長(zhǎng)，它最終會(huì)變成只讀狀態(tài)，所以應(yīng)該盡最大 可能延長(zhǎng)它的壽命。行之有效的方法就是平衡使用所有的存儲(chǔ)單元，而不讓某一單元過(guò)度使用。這種技術(shù)被稱之為損耗均衡。TrueFFS使用一種基于一張動(dòng)態(tài)維護(hù)表的存儲(chǔ)器――塊映射的翻譯系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)損耗均衡技術(shù)。當(dāng)塊數(shù)據(jù)被修改、移動(dòng)或碎片回收后，這張維護(hù)表會(huì)自動(dòng)調(diào)整。

然而，如果存儲(chǔ)在Flash上的一些數(shù)據(jù)本質(zhì)上是靜態(tài)的，就會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)文件鎖定問(wèn)題。存儲(chǔ)這些靜態(tài)數(shù)據(jù)的區(qū)域根據(jù)不會(huì)被輪循使用，其它區(qū)域就會(huì)被更頻繁地使用，這將降低Flash期望的生命值。TrueFFS通過(guò)強(qiáng)制轉(zhuǎn)移靜態(tài)區(qū)域的方法成功克服了靜態(tài)文件鎖定問(wèn)題。因?yàn)橛成浔硎莿?dòng)態(tài)的，TrueFFS能夠以對(duì)文件系統(tǒng)不可見(jiàn)的方式轉(zhuǎn)移這些靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域。由于絕對(duì)強(qiáng)制損耗均衡方式會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生一些負(fù)面影響，所以TrueFFS采取了一種非絕對(duì)損耗均衡算法。它保證了所有空間的使用近似平等而不影響性能。

2．2 碎片回收

塊數(shù)據(jù)的修改使得Flash的一些塊區(qū)域中的數(shù)據(jù)不再有效，并且這些區(qū)域在擦除之前變得不可寫(xiě)。如果沒(méi)有機(jī)制來(lái)回收這些區(qū)域，F(xiàn)lash很快就會(huì)變成只讀的狀態(tài)了。不幸的是由于這些塊不可能單獨(dú)擦除，回收這些塊就有些復(fù)雜了。單次擦除被限制在一個(gè)叫作擦除單元的較大范圍內(nèi)，如對(duì)于AMD的Am29LV065D芯片來(lái)說(shuō)是64KB。

TrueFFS使用一種被稱為碎片回收的機(jī)制來(lái)回收那些不再包含有效數(shù)據(jù)的塊。該機(jī)制從一個(gè)預(yù)擦除單元內(nèi)復(fù)制所有的有效數(shù)據(jù)塊到另一個(gè)新的被稱為轉(zhuǎn)移單元的擦除單元。然后，TrueFFS更新映射表，再擦除這個(gè)廢舊的預(yù)擦除單元。這樣，原來(lái)的塊出現(xiàn)在外界時(shí)仍然包含了原來(lái)的數(shù)據(jù)，雖然這些數(shù)據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)存放在Flash存儲(chǔ)器的其它空間。

碎片回收算法會(huì)找到并回收與下面標(biāo)準(zhǔn)最吻合的擦除單元：

①?gòu)U塊最多；

②擦除次數(shù)最少；

③最靜態(tài)的區(qū)域。

2．3 塊分配和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集結(jié)

為了提高數(shù)據(jù)的讀取效率，TrueFFS使用一種靈活的空間分配策略：將關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)（如由同一個(gè)文件的內(nèi)容組成的多個(gè)塊）集結(jié)到同一個(gè)單獨(dú)擦除單元內(nèi)的一段連續(xù)的區(qū)域中。為此，TrueFFS盡量在同一個(gè)擦除單元內(nèi)維持一個(gè)由多個(gè)物理上連續(xù)的自由塊組成的存儲(chǔ)池。如果這樣連續(xù)的存儲(chǔ)池?zé)o法實(shí)現(xiàn)，TrueFFS分盡量保證池中的所有塊是在同一個(gè)擦除單元內(nèi)。如果連這樣的情況也不可能的話，TrueFFS會(huì)盡量把塊池分配到一個(gè)擁有最多可用空間的擦除單元內(nèi)。

這種集結(jié)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的途徑有幾個(gè)好處。首先，如果TrueFFS必須從一個(gè)小的存儲(chǔ)窗口來(lái)訪問(wèn)Flash,那么這樣集結(jié)了的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)可以減少調(diào)用映射物理塊到該窗口的次數(shù)，加快了文件繼續(xù)訪問(wèn)速度。其次，這種策略可以減少碎片的產(chǎn)生。這是因?yàn)閯h除一個(gè)文件可以釋放掉更容易回收的完整塊，意味著碎片回收會(huì)變得更快。另外，它可以使屬于靜態(tài)文件的多個(gè)塊存放在同一地址，這樣當(dāng)損耗均稀算法決定移動(dòng)靜態(tài)區(qū)域時(shí)，轉(zhuǎn)移這些塊就變得更加容易了。

2．4 錯(cuò)誤恢復(fù)

向Flash寫(xiě)數(shù)據(jù)有時(shí)可能會(huì)出錯(cuò)，比如在響應(yīng)文件系統(tǒng)寫(xiě)請(qǐng)求時(shí)、碎片回收期間甚至在TrueFFS格式化或擦除Flash時(shí)。在這些情況下，TrueFFS能夠從錯(cuò)誤中恢復(fù)過(guò)來(lái)；但在新數(shù)據(jù)第一次寫(xiě)入Flash時(shí)如果出錯(cuò)就會(huì)丟失這些數(shù)據(jù)。然而，TrueFFS非常仔細(xì)地保證所有已經(jīng)存放在Flash上的數(shù)據(jù)是可恢復(fù)的，甚至能夠避免用戶由于不耐煩或好奇而猛地拔出Flash卡而可能造成的災(zāi)難性后果。

TrueFFS健壯的關(guān)鍵是它使用了一種“先寫(xiě)后擦”的策略。當(dāng)更新Flash一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)時(shí)，只有在更新操作完成并且新存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)成功后，先前的數(shù)據(jù)才會(huì)被允許擦掉。這樣的結(jié)果是數(shù)據(jù)扇區(qū)不能處于部分寫(xiě)狀態(tài)。操作成功的話新扇區(qū)的數(shù)據(jù)有效，否則老扇區(qū)的數(shù)據(jù)有效。很明顯，這樣有利于用戶已經(jīng)寫(xiě)到Flash上的數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

3 編程

TrueFFS的編程主要在MTD層和Socket層。首先必須在當(dāng)前VxWorks生成目錄的配置文件（config.h）中定義：INCLUDE_TFFS(包含TrueFFS系統(tǒng))、和INCLUDE_TFFS_SHOW(包含TrueFFS系統(tǒng)的顯示函數(shù))。

3．1 翻譯層

翻譯層根據(jù)Flash的實(shí)現(xiàn)技術(shù)來(lái)選擇。設(shè)計(jì)中選用了SST公司的型號(hào)為SST49CF064的CF卡，64MB容量。它是基于NAND的Flash技術(shù)，所以在文件中定義INCLUDE_TL_NFTL；如果是NOR技術(shù)，則定義INCLUDE_TL_FTL。

3．2 MTD層

文件cfCardMTD.c實(shí)現(xiàn)了MTD層的功能。在本設(shè)計(jì)中，MTD層主要實(shí)現(xiàn)4個(gè)函數(shù)：讀、寫(xiě)、擦除和ID識(shí)別。

ID識(shí)別函數(shù)根據(jù)讀取設(shè)備的ID號(hào)來(lái)選擇與當(dāng)前設(shè)備匹配的MTD驅(qū)動(dòng)。識(shí)別函數(shù)中指定了針對(duì)當(dāng)前設(shè)備的一些參數(shù)以及基本操作函數(shù)，并賦給一個(gè)叫FLFlash的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

FLStatus cfMTDIdentify(FLFlash*pVol);

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的主要參數(shù)賦值如下：

pVol->type=CF_ID; /*器件ID號(hào)*/

pVol->erasableBlockSize=512;/*可擦除的最小單元是512B*/

pVol->chipSize=0x4000000;/*器件容量為64MB*/

pVol-write=cfWriteRoutine;/*寫(xiě)函數(shù)*/

pVol->read=cfReadRoutine;/*讀函數(shù)*/

pVol->rease=cfEraseRoutine;/*擦函數(shù)*/

pVol->map=cfMap;/*將CF卡的一段區(qū)域映射到內(nèi)存空間*/

CF卡的讀函數(shù)比Flash的讀函數(shù)繁瑣。它和寫(xiě)一樣，必須根據(jù)一定的算法來(lái)讀取數(shù)據(jù)，而Flash只需要直接從地址中讀數(shù)據(jù)。但是，CF卡的擦函數(shù)非常簡(jiǎn)單，直接返回就可以了。因?yàn)镃F卡可以直接調(diào)用寫(xiě)命令寫(xiě)入數(shù)據(jù)，CF卡本身能夠自動(dòng)完成擦除操作。CfMap函數(shù)將CF卡的一段區(qū)域映射到存儲(chǔ)空間，一般為4KB。因?yàn)镃F卡的40MB地址空間并不映射到系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間中，映射可以加快系統(tǒng)訪問(wèn)CF卡的速度，而Flash的地址空間，所以Flash的MTD驅(qū)動(dòng)中的該函數(shù)可以為空。

最后，識(shí)別函數(shù)必須在MTD驅(qū)動(dòng)表單mtdTable[]中注冊(cè)：

#ifdef INCLUDE_MTD_CFCARD

cfMTDIdentify,

#endif

并增加函數(shù)聲明：extern FLStatus cfMTDIdentify (FLFlash vol).

3.3 Socket層

文件sysTffs.c實(shí)現(xiàn)了Socket層的功能。sysTffsInit()函數(shù)是主函數(shù)，調(diào)用Socket注冊(cè)函數(shù)cfSocketRegister()，初始化Socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)FLSocket。

LOCAL void cfSocketRegister (void){

FLSocket vol=flSocketOf(noOfDrives);

tffsSocket[noOfDrives]=“F”/*Socket名稱*/

vol.window.baseAddress=CF_BASE_ADRS>>12;/*窗口的基地址*/

vol.cardDetected=cfCardDetected;/*檢測(cè)CF卡是否存在的函數(shù)*/

vol.VccOn=cfVccOn;/*CF卡上電函數(shù)*/

vol.VccOff=cfVccOff;/*CF卡繼電函數(shù)*/

vol.initSocket=cfInifSocket;/*CF卡初始化函數(shù)*/

vol.setMappingContext=cfSetMappingContext;/*CF卡映射函數(shù)*/

vol.getAndClearCardChangeIndicator=cfGetAndClearCard ChangeIndicator;/*設(shè)置改變函數(shù)*/

vol.writeProtected=cfWriteProtected;/*CF卡寫(xiě)保護(hù)判斷函數(shù)*/

noOfDrives++;

}

其中，映射窗口的基地址以4KB為單位。TrueFFS系統(tǒng)每100ms調(diào)用CF卡檢測(cè)函數(shù)，判斷CF卡是否存在。CF卡上電函數(shù)和斷電函數(shù)主要用于節(jié)省系統(tǒng)功耗，當(dāng)CF卡出于閑置狀態(tài)時(shí)，TrueFFS就關(guān)閉CF卡的電源。CF卡初始化函數(shù)負(fù)責(zé)訪問(wèn)CF卡之前的所有前期工作。如果插入CF卡型號(hào)改變了，cfGetAndClearCard ChangeIndicator函數(shù)就會(huì)及時(shí)向TrueFFS系統(tǒng)報(bào)告。sysTffs.c中需要實(shí)現(xiàn)上述的所有函數(shù)。大部分情況下，開(kāi)發(fā)人員不必關(guān)心FLSocket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只關(guān)心它的成員函數(shù)。一旦這些成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)了，開(kāi)發(fā)人員不能直接調(diào)用它們，它們被TrueFFS系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用。

4 實(shí)現(xiàn)與性能分析

完成TrueFFS的編寫(xiě)之后，經(jīng)過(guò)編譯鏈接，如果一切正確，VxWorks運(yùn)行時(shí)會(huì)調(diào)用tffsDrv()函數(shù)自動(dòng)初始化TrueFFS系統(tǒng)，包括建立互斥信號(hào)量、全局變量和用來(lái)管理TrueFFS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，注冊(cè)Socket驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)TrueFFS需要和底層具體硬件打交道時(shí)，它使用設(shè)備號(hào)（0～4）作為索引來(lái)查找它的FLSocket結(jié)構(gòu)，然后用相應(yīng)結(jié)構(gòu)中的函數(shù)來(lái)控制它的硬件接口。成功完成Socket注冊(cè)之后，用戶就可以調(diào)用tffsDevCreate()創(chuàng)建一個(gè)TrueFFS塊設(shè)備，調(diào)用tffsDevFormat格式化設(shè)備，再調(diào)用dosFsDevInit()函數(shù)加載DOS文件系統(tǒng)。之后，用戶就可以像使用磁碟設(shè)備一樣使用了CF卡了，如調(diào)用open、read、write、close、creat等文件操作函數(shù)。

TrueFFS的簡(jiǎn)單測(cè)試方法可以從主機(jī)復(fù)制一個(gè)文件到CF卡，再將這個(gè)文件從CF卡復(fù)制到主機(jī)，然后比較原文件和最后文件的區(qū)別。用戶也可以調(diào)用tffsShow()或tffsShowAll()來(lái)查看TrueFFS的創(chuàng)建情況。

TrueFFS可以極大地延長(zhǎng)Flash設(shè)備的壽命。一般CF卡可以擦寫(xiě)10萬(wàn)次，如果不使用TrueFFS系統(tǒng)，壽命就非常短。例如，在CF卡上實(shí)現(xiàn)一個(gè)FAT16格式的DOS文件系統(tǒng)，簇的大小是2KB，如果要向CF卡中寫(xiě)入一個(gè)8MB的文件，共占用4K個(gè)簇，出于可靠性考慮，每寫(xiě)一個(gè)簇，F(xiàn)AT表就更新一次，寫(xiě)一個(gè)8MB的文件，F(xiàn)AT表需要更新4096次；而FAT表一直位于某個(gè)固定扇區(qū)中，所以8MB的文件最多只能更新25次，一個(gè)每天需要備份的文件，那么CF卡的壽命只有25天。這種應(yīng)用方式使CF卡壽命與其容量無(wú)關(guān)，其它絕大部分可用扇區(qū)白白浪費(fèi)。

采用了TrueFFS系統(tǒng)之后 ，因?yàn)閾p耗均衡算法不允許FAT表固定在某個(gè)扇區(qū)中，損耗平均分配給所有物理扇區(qū)。期望的CF卡壽命可以用下列公式計(jì)算：

期望壽命=（容量總擦寫(xiě)次數(shù)0.75）/每天寫(xiě)入字節(jié)數(shù)

其中，0.75表示文件系統(tǒng)和TrueFFS管理結(jié)構(gòu)的額外消耗系數(shù)。如果同樣每天備份一個(gè)8MB文件，那么期望壽命=(64MB100 0000.75)/8MB=600000(天)（約1643年）。

可見(jiàn)，TrueFFS驚人地延長(zhǎng)了Flash器件的壽命。VxWorks自帶的TrueFFS驅(qū)動(dòng)器覆蓋了業(yè)界大部分主流Flash芯片，考慮了各種芯片的不同擦寫(xiě)算法，效率較低。對(duì)于產(chǎn)時(shí)性要求苛刻的系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該按照所用的Flash器件有針對(duì)性地制作了TrueFFS驅(qū)動(dòng)器。目前某些CF卡本身實(shí)現(xiàn)了一定程度的損耗均衡算法，但是沒(méi)有TrueFFS那么高效。