基于虚拟扇区的Flash存储管理技术

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基于虚拟扇区的Flash存储管理技术

摘要：首先，针对闪存Flash的存储编程特点，提出一种基于虚拟扇区的闪存管理技术，使系统对Flash的擦写次数大大降低，从而提高Flash的使用寿命和整个系统的性能。然后，通过嵌入式系统电子名片管理器，介绍这一技术的使用。随着闪存的广泛应用，对Flash的有效存储管理将有很大的实用意义和社会效益。     关键词：闪存Flash 虚拟扇区VSS 存储管理 扇区分配表SAT
引言
随着嵌入式系统的迅速发展和广泛应用，大量需要一种能多次编程，容量大，读写、擦除快捷、方便、简单，外围器件少，价格低廉的非易挥发存储器件。闪存Flash存储介质就是在这种背景需求下应运而生的。它是一种基于半导体的存储器，具有系统掉电后仍可保留内部信息，及在线擦写等功能特点，是一种替代EEPROM存储介质的新型存储器。因为它的读写速度比EEPROM更快，在相同容量的情况下成本更低，因此闪存Flash将是嵌入式系统中的一个重要组成单元。
然而，由于Flash读写存储的编程特点，有必要对其进行存储过程管理，以使整个系统性能得以改善。
1 闪存Flash的存储编程特点
Flash写：由1变为0，变为0后，不能通过写再变为1。
Flash擦除：由0变为1，不能只某位单元进行擦除。
Flash的擦除包括块擦除和芯片擦除。块擦除是把某一擦除块的内容都变为1，芯片擦除是把整个Flash的内容都变为1。通常一个Flash存储器芯片，分为若干个擦除block，在进行Flash存储时，以擦除block为单位。
当在一个block中进行存储时，一旦对某一block中的某一位写0，再要改变成1，则必须先对整个block进行擦除，然后才能修改。通常，对于容量小的block操作过程是：先把整个block读到RAM中，在RAM中修改其内容，再擦除整个block，最后写入修改后的内容。显然，这样频繁复杂的读-擦除-写操作，对于Flash的使用寿命以及系统性能是很不好的，而且系统也常常没有这么大的RAM空间资源。一种基于虚拟扇区的管理技术可以有效地控制Flash的擦写次数，提高Flash的使用寿命，从而提高系统性能。
2 基本原理
2.1概念
VSS（Visual Small Sector），虚拟小扇区：以它为单位读写Flash内容。
VSS ID（Visual Small Sector Identity），虚拟小扇区号：只通过虚拟扇区号进行存储，不用考虑它的真实物理地址。
SI（Sector Identity），分割号：一个擦写逻辑块中物理扇区的顺序分割号。
BI（Block Identity）,块号：Flash芯片中按擦除进行划分的块号。
SAT（Sector Allocate Table），扇区分配表：一个擦写逻辑块中的扇区分配表。一个SAT由许多SAT单元组成，一个SAT表对应一个Block，一个SAT单元对应一个VSS。
每个SAT单元最高两位为属性位，后面各位为VSS ID号。如果一个SAT单元由16位组成，则VSS ID最大可以达到16×1024；而如果SAT单元由8位组成，则VSS ID最大可以达到64，具体约定由应用情况而定。
2.2 实现原理
把每个block分为更小的虚拟逻辑块（visual small sector），称为虚拟扇区，扇区大小根据应用而定。每个block前面的一固定单元用于记录本block中扇区分配的使用情况（即扇区分配表），包括扇区属性及扇区逻辑号。图1为逻辑扇区划分示意图。
在进行数据读写和修改时，以虚拟扇区块的大小为单位。要修改某一扇区的数据时，先读出这个扇区的内容，重新找一个未使用的扇区，把修改后的内容写入这个新扇区。然后，修改原来扇区的属性值为无效，修改这个新扇区的属性为有效，拷贝VSS ID号到新扇区对应的SAT单元中。
这样，当某一个block中的SAT属性都标为无效时，才对当前block进行擦写。可见，以虚拟扇区大小为单位的存储管理，对Flash块的擦写次数可大大减少，从而提高了系统性能。
3 VSS管理实现要点
3.1 常数部分
#define BLOCKSIZE 128*1024 //可根据Flash型号修改
#define SECTORSIZE 512 //可根据Flash型号及应用情况修改
#define MAX_BLOCK 8 //可擦除块个数
#define MAX_SI_1B 255 //每个可擦除块中有效SI个数
#define SATSIZE 510 //扇区分配表大小
#define VSS_MASK 0XC000 //VSS属性屏蔽值
#define VSS_FREE 0XC000 //VSS为未使用的属性值
#define VSS_VALID 0X4000 //VSS为有效的属性值
#define VSS_INVALID 0X0000 //VSS为无效的属性值
3.2 数据结构部分
unsigned char VSS_Table[MAX_BLOCK][MAX_SI_1B/8];用于记录Flash中各个block的使用情况。数组中的某位为1，表示相应sector为未使用；否则，为已经写过，系统通过这个表可以跟踪各个block的使用情况。
3.3 函数功能部分
1） Flash_Format()//擦除整块Flash存储介质。
2） Flash_Init()//对VSS管理系统参数进行初始化，填充VSS_Table表，统计Flash的使用情况。在系统复位初始时调用。
3） Block_Erase(int blockID)//擦除块号为block ID的块。
4） Find_VSS(int vss)//查找VSS所在的block ID及分割号SI。
5） Get_Addr(int vss)//取得VSS所在的物理地址。
6） Scan_SAT(int blockID)//整理块号为block ID的SAT，填充VSS_Table[]。
7） Flash_Read(long addr,char *pdata,int len)//从物理地址为addr的Flash处读取len个字节到pdata。
8） Flash_Write(long addr,char *pdata,int len)//写pdata中长度为len的数据到指定地址为addr的Flash中。
9） Read_Sat(int bi)//读取块号为blockID的SAT。
10） IsValid(vat)//检查本SAT单元属性是否有效。
11） IsFree(vat)//检查本SAT单元属性是否未使用。
12） IsInvalid(vat)//检查本SAT单元属性是否无效。
13） Read_VSS(addr)//从地址为addr处读一个VSS。
14） Write_VSS(addr,*pData)//把pData中的内容写到从地址addr开始的一个VSS中。
4 计算VSS ID的物理地址
要对某个VSS ID进行读写操作，必须先找到其物理地址。
定位某个VSS ID物理地址的过程如下。
① 查找这个VSS ID所在的块号（BI）以及在这个块中所处的分割号（SI）。
从第一个block开始，搜索这个块的SAT表。首先搜索属性，只有属性为有效的才比较VSS ID号。如果条件满足，记录所在的块号BI及SAT的位置，即扇区分割号SI；否则，block号增加，继续按照上面步骤查找。
bFound=0;
for(int i=0;i<MAX_block;i++)
{//读取对应block的SAT表
psat=ReadSat(i)
for(j=0;j<MAX_SI_1B;j++)
{//分析每个SAT单元
sat=*psat++;
if(IsValid(sat))//比较属性是否有效
{//比较逻辑号是否相等，相等设置标志退出
if(Equal(sat,VSSID)){bFound=1;break;}
}
}
if(bFound){bi=i;si=j;break;}//找到后记录块号和分割号退出
}
②找到VSS ID所在的块号及分割号（SI）后，这个VSS ID的物理地址为：
ADDR=整个Flash的偏地址+
BLOCKID*BLOCKSIZE+SATSIZE+SI*SECＴＥＲＳＩＺＥ。
５　应用
应用于名片记录管理系统：由于名片记录很大，而且记录很多，存在常常修改的情况，因此可以使用Flash作存储介质。
名片记录结构为：
struct CARD
{
char name[10]; //姓名：１０字节
char position[15]; //出职务：１５字节
char companyname[40]; //公司名称：１５字节
char mobilephone[11]; //手机号码：１１字节
char homephone[15]; //家庭电话：１５字节
char officephone[15]; //办公电话：１５字节
char Email[30]; //邮件地址：３０字节
char homepage[30]; //公司主页：３０字节
char remark[40]; //备注：４０字节
｝card_record;
每个名片记录大小为：１８１字节。
对于１ＭＢ的Flash，分为８个block，每个block为１２８ＫＢ（１３１０７２字节）。
针对以上情况，作如下分配：
每个扇区大小为１８１字节；
ＳＡＴ大小为１４３２字节，每个ＳＡＴ单元用１６位（２字节）；
分为７１６个扇区，也相当于１个block能存７１６条名片记录，则１３１０７２－１４３２－７１６×１８１＝４４字节为空闲。
常数定义部分修改如下：
#define blockSIZE 128*1024 //每个block大小
#define SECTORSIZE 181 //每个扇区大小
＃define MAX_SI_1B 716 //每个可擦除块中有ＳＩ个数
＃define SATSIZE 1432　／／扇区分配表大小
#define VSS_MASK 0XC000 //ＶＳＳ属性屏蔽值
#define VSS_FREE 0XC000 //VSS为未使用的属性值
＃define VSS_VALID 0X4000 //VSS为有效的属性值
＃define VSS_INVALID 0X0000 //VSS为无效的属性值
约定：首先对名片进行编号，且约定名片的编号对应于ＶＳＳ　ＩＤ逻辑号。
a) 记录增加。增加一个记录时，根据提供的ＶＳＳ　ＩＤ号，首先查找这个记录号是否在使用。如果还没有使用，首先查找这个记录号是否在使用。如果还没有使用，则申请一个未使用的ＶＳＳ，把相在内容写入这个ＶＳＳ，修改其对应的ＳＡＴ单元，写入有效属性值和ＶＳＳＩＤ号；否则，进入记录修改过程。
b) 记录删除。要删除一个记录时，根据提供的ＶＳＳ　ＩＤ号，查找ＳＡＴ表。如果找到，修改其对应的ＳＡＴ属性为无效；否则，说明这个记录不存在。
c) 记录查找。①由ＶＳＳ　ＩＤ号进行的查找：根据提供的ＶＳＳ　ＩＤ号，查找所有的ＳＡＴ表中属性为有效的ＶＳＳ　ＩＤ，返回相应的ＢＩ及ＳＩ。②根据名片的用户名查找：检测所有的ＳＡＴ表中属性为有效的ＶＳＳ　ＩＤ，得到相应的ＢＩ及ＳＩ，由ＢＩ及ＳＩ定位到指定Flash物理地址读入用户各到ＲＡＭ中，比较是否相等。如果相等，读取并返回ＳＡＴ单元的ＶＳＳ　ＩＤ；否则，继续查找。
d) 记录修改。当要修改一名片记录时，由ＶＳＳ　ＩＤ先把这个记录读入到ＲＡＭ中，然后修改其内容，重新找一个未使用的扇区，把修改后的内容写入到这个新扇区中，并拷贝其ＶＳＳ　ＩＤ号到这个新扇区对应的ＳＡＴ单元，修改其属性为高，修改原来的扇区属性为无效。
结语
本文提出的Flash存储管理技术原理简单实用。它是对那些复杂的Ｆlash文件管理系统的一种剪裁、简化和定制。对于那些不需要复杂的文件管理系统，而又使用了Ｆlash作为存储介质的嵌入式系统有很好的借鉴意义和使用价值，如手机电话号码簿管理、短信管理等都可以利用这种技术进行管理。

李小路

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