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NAND Flash是嵌入式文件管理系統開發

添加時間:2019/07/12 來源:北京交通大學 作者:王健
本文詳細闡述了基于NAND Flash的嵌入式文件系統的設計與實現細節。為了與通用的桌面系統有良好的兼容性,在分析了各種流行的文件系統格式之后,提出采用FAT文件系統格式為基礎。
以下為本篇論文正文:

摘要

  隨著信息技術的發展和數字產品的普及,嵌入式系統已經成為當今計算機技術研究與應用的熱點。NANDFlash是嵌入式系統中主要使用的存儲設備之一,以往基于NANDFlash的嵌入式文件系統專用性較強,對通用的桌面系統考慮不足,這使得通用的桌面系統支持數字多媒體等產品的復雜性加大。

  本課題設計并實現了一個基于NANDFlash的嵌入式文件系統,它采用FAI,文件系統格式,非常好地實現了與通用桌面系統的兼容性。但是由于NANDFlash的硬件特殊性,FAT文件系統格式并不適合直接應用,需增加Flash傳輸轉換層來均衡擦除帶來的磨損,實現動態的地址映射。具體工作如下:

  (l)研究了嵌入式文件系統的基本理論及發展現狀,分析比較了目前各種流行的文件系統格式;研究了閃速存儲器的基本理論及技術分類,分析比較了目前兩大主流的閃速存儲器技術。

  (2)深入研究了FAI,文件系統格式的原理,構建了邏輯文件系統層)FAT層的總體框架,分別從系統管理、目錄管理和文件管理三方面設計結構和操作,并充分考慮嵌入式系統資源有限的特點來配置緩存,實現了文件系統各種基本的功能操作。

  (3)在FAT層和NANDFlash設備之間增加Flash傳輸轉換層)FTL層,將NANDFlash的邏輯空間依據磨損程度進行劃分,設計多種記錄更新數據的結構和機制,實現了磨損均衡和邏輯到物理的地址轉換。此外,還設計實現了NANDFlash設備的驅動程序。

  本課題設計的基于NANDFlash的嵌入式文件系統對兼容性和通用性有很大的加強,具體的說:為用戶提供一套標準的應用程序接口;組件化的設計不依賴于特定的嵌入式操作系統;支持FAI,全系列的文件系統格式;支持多種類型的NANDFlash設備。另外,在提高系統性能方面,本課題還提出并實現了一種加速文件定位的方法。

  關鍵詞:嵌入式文件系統;FAT;FTL;NANDFlash;磨損均衡

ABSTRACT

  With the development of information technology and wide usage of digital products, nowadays embedded system becomes hotspot in computer technology research and application. NAND Flash is one of storage devices which are widely used in embedded field. However, embedded file system based on NAND Flash was applied to some professional fields in the past, without considering much of desktop system. This makes it more complex to support digital products for desktop system.

  In this paper, an embedded file system based on NAND Flash is designed and implemented. FAT is used here to realize good compatibility between the NAND Flash embedded file system and the desktop system. Nevertheless, because of the physical structure in NAND Flash, we could not use FAT directly on NAND Flash. So FTL is used for wear-leveling and dynamic address mapping. Details are as follows:

  (1) Basic theory and development status in embedded file system are researched and various file system formats are compared. Basic theory and various technologies in flash memory are researched and two key flash technologies are compared.

  (2) After researching FAT principle, we build FAT frame as a whole. Structure and operation is designed based on system management, directory management and file management. We also allocate cache according to embedded system resource. Finally we implement all kinds of common functions in embedded file system.

  (3) FTL is added between FAT and NAND Flash. FTL divide NAND Flash's logic space according to wear value and design multiple structures and mechanisms to record updating data. FTL implement wear-leveling and address transition. In addition, a NAND Flash driver is also designed.

  This embedded file system based on NAND Flash enhances both the system compatibility and universality: provide a suit of standard API, design based on groupware independent of embedded operating system, support all series of FAT and support many kinds of NAND Flash device. In addition, a fast file seek method is put forward and implemented for enhancing the system performance in this paper.

  KEYWORDS:  Embedded file system; FAT; FTL; NAND Flash; Wear-leveling

  隨著信息技術的發展和數字產品的普及,嵌入式系統滲透到人們工作、生活的各個方面,廣泛應用于網絡、手持通信設備、國防軍事、消費電子和工制仿真等各個領域,已經成為21世紀計算機應用的熱點之一。從八十年代起,一些國際IT組織和公司就開始進行商用嵌入式系統的研發,這其中涌現了一些著名的嵌入式系統,Microsoft公司的Windows CE和WindRiverSystem公司的VxWorks就分別是非實時和實時嵌入式操作系統的代表。

  Flash存儲器主要應用于智能電話、數碼相機、PDA、數字錄音機、MP3播放器、手機、電動玩具等相關領域。在人們不斷追逐更高品質生活的過程中,Flash存儲器的容量和其它性能呈現飛速提升的趨勢。Flash存儲器是一種基于半導體的存儲器,它功耗低、容量大、訪問速度高、無機械故障、數據非易失、并且不需要特殊的高電壓即可電擦除和重復編程,是一種替代EEPROM存儲介質和小型硬盤的新型存儲器,F在市場上主要的閃存底層技術有NOR和NAND兩種。NORFlash較早為業界采用,但其成本較高而且寫入速度較慢,僅在注重執行速度或少量數據儲存的地方使用。NAND Flash結構強調降低每比特的成本以及更高的性能,是高密度數據存儲的理想解決方案,被大量應用于移動存儲設備、移動媒體設備和嵌入式設備中。

  隨著嵌入式系統越來越廣泛的應用以及數字信號處理與人機交互界面等相關技術的不斷成熟,嵌入式多媒體應用數量逐漸上升,需要構建文件系統對不斷增加的數據組織和管理。Flash存儲器容量大、體積小等一系列優點,使之成為嵌入式系統存儲設備的主流。由于NOR Flash更適用于代碼存儲的場合,而NAND Flash讀寫速度快,容量大更適合存儲數據,所以研究NAND Flash上的嵌入式文件系統更有意義。

  國外有很多先進的商用嵌入式文件系統組件,但是源代碼和核心技術不公開且價格昂貴,而我國這一領域相對比較落后,也沒有統一的標準。所以對嵌入式文件系統的研究,并開發我們自己的產品有很重要的現實意義。當今有很多流行的文件系統格式,甚至還有專門為NAND Flash設計的文件系統,但是它們都不能與Windows很好的兼容。之所以強調與Windows的兼容性,是因為移動多媒體設備的需求越來越占據嵌入式應用的重要地位,如數碼相機、MP3/MP4播放器、手機等。為了與Windows達到很好的兼容性,FAT成為眾多文件系統格式的首選。

  但是NAND Flash存在著兩個主要缺陷:一是在重寫之前必須進行塊擦除,二是擦除次數有限。而FAT文件系統本身的系統信息集中存放,頻繁的對相應的區域進行擦除操作,很容易達到擦除次數上限,導致整個NAND Flash無法使用。因此,需要充分考慮NAND Flash的硬件特性,重新設計以FA'I,文件系統格式為基礎的嵌入式文件系統,實現系統數據的有效組織和管理以及NAND Flash性能的最大發揮。

NAND Flash是嵌入式文件管理系統開發:

FTL層的總體框架
FTL層的總體框架

邏輯扇區的映射
邏輯扇區的映射

日志塊的數據緩存
日志塊的數據緩存

合并
合并

映射表的存儲
映射表的存儲

查找映射表
查找映射表

NANDFlash的物理結構
NAND Flash的物理結構

目錄

  摘要
  ABSTRACT
  1 引言
    1.1 研究背景
    1.2 研究意義
    1.3 研究內容
    1.4 組織結構
  2 嵌入式文件系統
    2.1 文件系統概述
    2.2 嵌入式文件系統概述
    2.3 流行的嵌入式文件系統
    2.4 流行的文件系統格式及比較
  3 閃速存儲器
    3.1 閃速存儲器概述
    3.2 閃速存儲器技術分類
    3.3  NOR技術與NAND技術比較
  4  FAT,層的設計與實現
    4.1 FAT文件系統格式的原理
    4.2 FAT層總體框架
    4.3 各個功能模塊的實現
      4.3.1 系統操作
      4.3.2 目錄操作
      4.3.3 文件操作
    4.4 FAT層的啟動與調用
      4.4.1 格式化和初始化
      4.4.2 FAT層對FTL層的調用
    4.5 一種加速文件定位的方法
  5 FTL層的設計與實現
    5.1 FTL層的引入
    5.2 FTL層總體框架
    5.3 各個功能模塊的實現
      5.3.1 FAL接口層
      5.3.2 讀寫機制
      5.3.3 地址轉換
      5.3.4 壞塊管理
      5.3.5 磨損均衡
      5.3.6 驅動接口層
    5.4 FTL層的啟動與調用
      5.4.1 格式化和初始化
      5.4.2 讀操作
      5.4.3 寫操作
  6 嵌入式文件系統的測試
    6.1 測試平臺
    6.2 測試設計
      6.2.1 功能測試
      6.2.2 性能測試
    6.3 測試總結
  7 總結
  參考文獻
  獨創性聲明
  學位論文數據集

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