FAT文件系统在NAND Flash存储器上的改进设计

NAND Flash存储器是一种数据正确性非理想的器件，容易出现位反转现象，同时在使用中可能会有坏损单元。数据写入必须在李白的区块或者擦除后的区块巾进行，其底层技术要求以块为单位进行擦除(将“Oxff”写入到要擦除的存储块中)，再按页写入。Flash存储器的擦除次数是有限的，一般是100000次。当某块执行过度的擦除操作后，这一块的存储空间将会变为“只读”状态，不能再写入数据。根据以上特点，为了避免某些块的过度操作，而导致存储卡使用寿命降低，设计专门针对Flash存储器的文件系统是必要的。

1 NAND FIash存储器的特点
NAND Flash存储器的读取操作与普通SRAM存储器类似，可以随机读取，读出的速度也很快。芯片生产厂商规定存储空间的第1块必须是有效块，装载了出厂标识、系统配置等信息；而其他块可能在使用前就足坏块，需要在初次使用时进行坏块检测并标记，禁止数据写入，由于存储器每一块的内部结构都是相互独立的，坏块并不影响系统的操作。
在设计NAND Flash文件系统前，首先要了解其内部结构。目前市面上的NAND Flash芯片单片容量已高达lGB，存储器容量最高达4GB(由4片1GB的芯片封装而成)。知名的NAND Flash制造商有Samsung、Tashiba等公司。下面以Samsung公司的K9wAG08UlM为例，说明大容量NAND Flash芯片的组织结构。在K9WAG08U1M中，页(page)是最基本的组织单位。每页有2048+64=2112字节，64页构成一个块。(block)，每块的容量是(2048+64)64=(128KB+4KB)，芯片共8192块，总存储容量为(128KB+4KB)8192=lGB+32MB。存储器每页带有64字节的冗余字节。整个芯片共计32 MB的冗余空间，用于存放块信息和ECC校验码等。

2 FIash文件系统的应用特点
目前嵌入式设备的Flash文件系统主要有3种：M-Systems公司的TrueFFS、JFFSx以及唯一专门针对NAND F1ash设计的YAFFS。这3种Flash文件系统都引入了日志结构的思想，其巾JFFSx和YAFFS是代码开源的。
现在大多数嵌入式手持设备上的操作系统采用FAT文件系统，而DOS下通用的FAT文件系统并不适合直接移植到Flash存储器中．主要有以下3个原因：第l，嵌入式系统的应用条件恶劣，电源电压不稳定，突发性断电以及非法插拔都将对Flash的存储造成灾难性的影响；通用文件系统对于可靠性的设计考虑不足。第2，通用文件系统的记录信息需要被多次改写(如FAT表)，而记录信息放在固定的区块中，将导致该区块的频繁使用，影响整个Flash器件的使用寿命。第3，Flash存储器读取速度比磁盘驱动器快，存储的内容很多是多媒体数据资料。这些数据允许一定程度的误码率，未必需要像通用文件系统那样严格保证存储的正确性。如果通过灵活的校验机制与坏损管理，则可以达到更高效的存储空间利用率。这对成本敏感的嵌入式系统来说是更加需要考虑的。
针对上述情况，本设计构建了一个适合NAND Flash存储器的FAT文件系统。针对其存储特点，对FAT表和FRT表的存储方式进行了改进，延长了使用寿命，增强了可靠性，使之更有利于Flash存储器的应用。

3 FAT文件系统的结构
FAT文件系统技术成熟、结构简单、系统资源开销小，易于在嵌入式系统的硬件平台上实现。
文件系统由以下4部分组成：
O――系统记录区(System Record Region)；
1――FAT表区(FAT Region)；
2――文件登记表区(File Register Table Region)；
3――数据区(Data Region)。
①系统记录区(System Record Region，SR)存放最重要的文件系统信息，如Flash存储器的类型、容量、版本信息、数据区域的位置和大小，还包括分区表和主引导程序。主引导程序的任务是检查分区表是否正确，自动读取
FAT表和FRT表，将其复制到控制终端的内存中。
②文件分配表(File Allocation Table，FAT)存放Flash存储器上所有区块的占用与空闲情况以及每个文件的存储连接结构。FAT文件系统中有12位、1 6位、32位3种不同的格式。不同格式的文件系统管理存储单元的个数不同，如FATl6文件系统采用16位字长的分配表，最多可以管理2的16次方(65536)的基本存储单元。
③文件登记表(File Register Table，FRT)紧跟在FAT表之后．存放F1ash文件系统中每一个文件的代号、长度、属性、目录、生成或最后修改的时间，以及该文件的存储链在文件分配表中的入口。
④数据区域(Data Region)用于存放数据。本Flash文件系统中，数据分配的最小单位是Flash存储器的一个基本擦除单元，即一个物理区块(block)。
考虑到文件系统在嵌入式设备上实现的方便性并权衡Flash存储器的应用规模．选择、建立FATl6文件系统。

4 FAT文件系统的改进设计
当文件系统工作时，发生变化的只有FAT表和紧跟在其后的FRT表，因此，只用跟踪记录FAT表和FRT表就能知道文件操作的具体情况，这也是文件系统的核心；但Flash存储器结构与硬盘不同，不能直接改写其内容。直接移植的FAT文件系统、FAT表和FRT表始终存放在同一个区块中，将会导致该区块的使用寿命明显比其他的区块短。如果这一重要区域失效，那么将影响整个存储器的使用，因此必须改进两个表的存储方式。
Flash生产厂商设定的存储空间的第l区块必定是有效块。在改进的设计中，将第1个区块(128KB+4KB)作为存储器的系统记录区，同时在此区块中建立一个100KB(50页)的空白区域，用于记录FAT表在Flash中的起始地址(FRT表紧跟FAT表之后，不必再单独记录其首地址)。按照写入操作以页为单位的规则，100 KB的空间，可以加入FAT表的起始地址50次。
FIash第1块的分配信息区结构如图1所示。

改进设计的文件系统把FAT表和FRT表作为可移动的数据放在某一个区块内，在Flash的系统信息区中记录着FAT表的首地址，并用指针指向它。每次FAT表存储的位置发生变化时，只需将新位置的首地址添加到系统信息区的空白区域中，再调整指针的指向。这样避免了FAT表和FRT表始终在一个区块中反复擦写，导致该区块被过度使用，缩短存储器的寿命。文件系统的操作原理框网如图2所示。

图2中，主引导区程序首先读出存储在系统信息区中FAT表的首地址，找到FAT表和FRT表，再将其复制到控制终端的内存中进行操作(内存中可以按位修改，避免Flash不能按位修改的问题)。由于FAT文件系统是索引的链式结构，在内存中修改FAT表和FRT表的同时，也将两个表的改写情况以链式的方式紧跟在Flash存储器中两个表后面的空白区域里。这样在任何时候发生突然掉电或非法插拔而导致内存中FAT表和FRT表丢失的情况下，也能根据Flash中改写的内容恢复两个表，提高文件系统的可靠性。
在全部操作完成后，先把内存中的FAT表和FRT表写到存储器的转存区块中，擦除原来表所在的区块，再将转存区块中的内容复制到擦除后的原区块中。最后，擦除转存区块，完成整个一次操作。
同时，为了避免表存储区块的过度使用，当其擦除操作次数到了一个阈值(如500000次)时，先将FAT表和FRT表移动到其他空白区块，新区块作为表的存储区块。再把其中FAT表的首地址，写到FIash存储器的系统信息区的预留空白区域中，通过变化指针，程序在下次操作时将读取新地址。原先存放FAT表和FRT表的区块被标志为无效，最后通过Flash的垃圾回收策略，回收此区块。这样可达到将FAT表和FRT表作为移动数据存储的目的，延长了使用寿命，如图3所示。

上面的设计中，存储器第l区块作为信息记录区块。其中的预留空白空间可以记录50个地址，可以满足FAT表和FRT表移动5O次。表存储区块的使片j寿命提高了5O倍。
经过上面的改进，文件系统不仅避免了FAT表和FRT表始终在一个块中被过度使用的现象，也避免了在任何时候，发生掉电或非法插拔的情况。仍然可以根据Flash中修改过的内容重新建立新的FAT表和FRT表，使文件系统不至于遭到致命的破坏。这样虽然占用了一些Flash资源，但确保了文件系统的安全性和可靠性。通过这样的没计，即使出现了操作异常的情况，错误也只涉及当时被操作的文件，不会扩散给F1ash存储器中的其他文件，更不会因此彻底损坏FAT表和FRT表，造成整个文件系统的瘫痪。

结语
根据嵌入式系统中Flash存储器的特点没计的FAT文件系统，对FAT表和FRT表的存储方式进行了改进，使其使用寿命和可靠性都有了较大的提高。即使在嵌入式设备操作异常频发的恶劣工作条件下，文件系统也能够保证安全地工作。此文件系统出于可靠性的考虑，较通常的文件系统只多占用1个D(块(转存区块)的资源，而对于嵌入式上使用的NANE)Flash存储器，这样的耗费完全是可以接受的。
编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www．mesnet．com．cn。