泛谈Flash文件系统

泛谈Flash文件系统

【摘要】本文主要简单介绍Flash文件系统，文中涉及Flash存储器基本特征，以及怎样利用Flash文件系统实现对Flash存储器的较好的操作管理功能。

【关键字】Flash存储器 Flash文件系统

Ⅰ。Flash存储器
Flash文件系统，顾名思义就是采用Flash作为外存储器实现的文件系统。因此，Flash文件系统地实现就必须考虑Flash存储器的特点。
Flash存储器由于具有存储容量大、掉电数据不丢失以及可多次擦写等许多优点，正逐步取代其它半导体存储器件而广泛应用于移动电话、PDA以及数码相机等移动电子产品中。其作为存储数据和应用程序的存储体，可以将大量数据方便、快捷地移动和交换。
Flash内部分为多个存储单元块（block），每个存储单元块又由多个页（page）组成。存储单元块是可擦除的最小单位，页是写入数据的最小单位。
Flash存储器读取数据与一般的存储器类似，可以实现随机读取，读出的速度也很快。而Flash存储器的写操作则和一般的存储器有所不同，Flash的写操作必须先按存储块擦除（写入0xff到要擦除的存储单元块中），再按页顺序写入。由于Flash存储器擦除耗时较长，所以Flash存储器写入的时间主要在于Flash存储器内部的擦除操作等。
Flash存储器第一块一定是有效块，而其它块可能会在使用前就是坏块或者在使用过程中变成坏块（invalid block）。Flash存储器对内部坏块的判定是，根据其每一个单元存储块中的第3区中的第6 Cloumn内容是否为0xff来定。虽然Flash存储器内容会有坏块，但是由于每一块的内部结构都是相互独立的，所以只要对其状态加以识别，坏块并不影响系统对有效块的操作。

Ⅱ.Flash文件系统

有了Flash存储器，相应的应该有对应的系统来管理，于是有了Flash文件系统的出现。和常规的文件系统类似，我认为Flash文件系统地提出，至少需要实现以下几个特点：

1. 统一管理Flash存储器存储空间，实施存储空间的分配与回收

2. 实现文件的按名存取，使用方便，直观

3. 向用户提供一个方便使用的接口（提供对文件系统操作命令，以及提供对文件的操作命令

4. 优化存储速度和空间利用屏蔽物理因素的影响，如对于坏损单元，采用透明的坏损管理

u Flash文件系统具体如何设计

一般来说，整个文件系统应该分为两个层次：

最一层，直接和物理硬件接触，管理Flash物理存储器;

第二层，在基层之上，实现文件管理，如实现FAT。

u Flash文件系统设计中的注意事项

2.1第一层

（1）物理地址到逻辑地址的映射

为了在Flash物理地址和FAT操作的逻辑地址之间建立一个好的映射关系，须对Flash的存储空间在逻辑上进行了重新定义。结合Flash特点，将每个存储单元块内部分成若干物理扇区。具体实现时，每个物理扇区可以分为基本的数据区和其它信息保留区（如安全性）。

确定好扇区的结构和大小之后，物理地址到逻辑地址的映射也就确定了。

（2）可靠性设计

一个完善的文件系统需要有良好的可靠性。笼统的讲，可靠性的实现，需要存储器信息的支持，扇区的信息保留区就可以利用起来。

（3）坏块管理

由于Flash内部会有坏块，因此Flash存储管理系统需要对Flash进行坏块管理。一般坏块的管理分以下两种情况：

① 初始坏块处理。Flash存储器在使用前可能会有坏块，而且这些坏块是随机分布的。所以，Flash文件管理系统在系统执行读写操作之前先建立一个坏块表，然后对Flash存储器进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用，加入到坏块表中。

② 操作过程中坏块处理。在擦除或者编程过程中发生错误时，Flash文件管理系统将该块中其它页的数据重新拷贝到一个新的空块中，然后再将该块标记为坏块，加入到坏块表中。在这个处理过程中，由于对Flash的擦除或者编程操作都会使得Flash存储单元块的内容改变，所以Flash文件管理系统一旦发现Flash存储器的存储单元块成为坏块后便不再对该块进行擦除或编程操作，以免将坏块标志位数据清除掉，而是将该块标记为坏块，并将其加入坏块表中。

坏块单元对用户应用应该是完全透明的。

（4）均衡擦写次数

由于Flash有一定的使用寿命，一般可擦除的次数为10～100万次，所以随着使用次数的增加，会有一些单元逐渐变得不稳定或失败。因此，要尽量避免频繁地对同一块地址操作，以免造成局部单元提前损坏；同时，由于擦除操作耗时较多，也应减少擦除操作，应该尽量达到擦写次数均衡。为此，有必要设计Flash更新算法和磨损程度检测算法。

Flash更新算法可以是将Flash中要更新的数据直接写入一个空块中，降低由于Flash先擦除后写入的特性带来的对块的频繁擦除；同时，也提高了Flash的使用效率，加快了操作速度。

磨损程度检测算法是在对Flash进行写入前必须先对Flash进行坏块扫描，以确保不会将数据写入坏块从而此起数据的丢失。

2.2 FAT设计

在Flash文件管理系统的基础上，还建立了FAT文件系统来对文件操作进行管理。将FAT文件系统具体分为以下四部分：

（1）FAT的引导区

该引导区存放代码所需的信息及最重要的文件系统信息。这些信息包括了Flash存储器的类型、容量以及划分成多少个簇；每个簇包含多少扇区、FAT表数目、保留扇区数、根目录的首簇号及根目录入口数、版本信息等等。引导扇区是在格式化Flash时生成的。

（2）FAT的文件分配表

文件分配表存放文件所占用的存储空间族链以及Flash存储器的占用和空闲空间的情况，非常重要。

为了防止文件分配表损坏而引起文件的丢失，可以在系统中保存两个相同的文件分配表FAT1和FAT2，以改善其安全性。在文件系统的操作中，程序对FAT表结构的两个备份进行顺次修改，以此确保Flash存储器上总是存有一整套完好的文件分配表。

系统对FAT表的访问原理如下：访问文件时先从要目录中找到该文件的目录项，从中读出首簇号。然后，目录中找到该文件的目录项，从中读出首簇号。然后在FAT中找到从该首簇号开始的簇链，簇链上的簇号即为文件在逻辑扇区中占用的扇区号链，这样便可以进行数据读写了。

（3）FAT的根目录区

FAT的根目录区是固定大小的紧跟在FAT表后的区域。本文将从FAT区之后紧跟的32个扇区作为根目录区，可以保存512个目录项。每个目录项记录了该文件的文件名、文件属性、文件大小、文件创建的日期和时间以及文件在数据区中所占的首簇号，即该文件在FAT表中的入口等数据。

（4）FAT的数据区

数据区存在文件的数据内容。文件系统对数据区的存储空间是按簇进行划分和管理的。

【小结】

Flash文件系统应该来说和通常的文件系统没有太多的区别，文件的组织管理形式可以和磁盘文件差不多，关键在于Flash存储器的硬件特性。硬件的区别决定Flash文件系统有其自己需要考虑的东西。

本文来自CSDN博客，转载请标明出处：http://blog.csdn.net/zhtek/archive/2006/05/19/745882.aspx

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