來源：電子技術(shù)應(yīng)用 作者：清華大學 董 明 劉 加 劉潤生摘要：嵌入式多媒體應(yīng)用中大量數(shù)據(jù)存儲在flash上，本文以文件系統(tǒng)的方案解決數(shù)據(jù)存儲的管理問題。對嵌入式多媒體應(yīng)用中flash文件系統(tǒng)的應(yīng)用特點與關(guān)鍵設(shè)計進行了分析，設(shè)計實現(xiàn)了一個功能完整的文件代號管理、文件指針存取以及對應(yīng)用透明的自動壞損管理的文件系統(tǒng)。針對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的需要，改進了本flash文件系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性，降低了其系統(tǒng)資源開銷。針對多媒體應(yīng)用的數(shù)據(jù)特點，提出了存儲內(nèi)容自適應(yīng)的環(huán)境管理策略。仿真與實用的效果表明，本flash文件系統(tǒng)適宜于嵌入式多媒體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 多媒體flash存儲器 文件系統(tǒng)隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來越多地在控制類、消費類、通訊類等電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用，并且隨著數(shù)字信號處理與人機交互界面等相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，嵌入式多媒體應(yīng)用數(shù)量也逐漸上升。多媒體業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)內(nèi)容復(fù)雜，在多媒體應(yīng)用中數(shù)據(jù)的存儲與管理是不容回避的問題。flash存儲器制造成本低廉、存儲容量大、數(shù)據(jù)非易失、無機械故障，在目前的嵌入式系統(tǒng)中被廣泛用作外存儲器件。然而flash存儲器卻是一種數(shù)據(jù)正確性非理想的器件，應(yīng)用中可能會出現(xiàn)壞損數(shù)據(jù)單元，這又給應(yīng)用flash存儲器嵌入式系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)存儲管理增添了新的難度[1]。

在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用flash存儲器最好的辦法是在其上構(gòu)造一個文件系統(tǒng)，對flash存儲器中的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行基于文件代號的存儲管理，同時對于flash存儲器本身的壞損單元自動進行應(yīng)用透明的壞損管理。目前在通用計算機上已經(jīng)有很多成熟的文件系統(tǒng)，如dos下的fat文件系統(tǒng)、windows nt下的ntfs文件系統(tǒng)及unix文件系統(tǒng)等[2]。但是這些文件系統(tǒng)并不適合直接用到嵌入式系統(tǒng)中進行多媒體數(shù)據(jù)內(nèi)容的存儲：第一，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用條件遠比計算機惡劣，電源電壓的不穩(wěn)定以及突發(fā)性斷電將對flash的存儲造成災(zāi)難性的影響，通用文件系統(tǒng)對于可靠性的設(shè)計考慮不足；第二，通用文件系統(tǒng)是針對系統(tǒng)資源非常豐富的計算機平臺并基于速度較慢的磁盤驅(qū)動器，它們常常大量使用緩存技術(shù)，如注重文件系統(tǒng)的速度特性，要耗費比較多的系統(tǒng)資源。這與嵌入式系統(tǒng)中系統(tǒng)資源十分有限，flash存儲器又相對于磁盤驅(qū)動器較快的應(yīng)用情況不用；第三，嵌入式系統(tǒng)中存儲于flash上的內(nèi)容很多是多媒體數(shù)據(jù)資料，這些數(shù)據(jù)內(nèi)容往往雞一定程度的誤碼損傷，未必需要如通用文件系統(tǒng)那樣嚴格保證存儲的正確性。通過靈活的校驗機制與壞損管理，達到更優(yōu)化的存儲速度與更高效的存儲空間利用，這對成本敏感的嵌入式系統(tǒng)來說尤其具有幫助。

基于上述考慮，設(shè)計了一個適合嵌入式多媒體應(yīng)用的flash文件系統(tǒng)。它不僅支持文件代號管理、文件指針存取以及應(yīng)用透明的自動壞損管理這些通用文件系統(tǒng)所具有的功能，并且在文件系統(tǒng)的可靠性以及文件系統(tǒng)的額外資源消耗方面進行了改善；此外還引入了基于存儲內(nèi)容自適應(yīng)的壞損管理策略，從而使該flash文件系統(tǒng)更加適合嵌入式多媒體應(yīng)用。

1 flash存儲器的操作特點flash存儲器在讀取方面與普通的sram存儲器類似，一般可以實現(xiàn)完全隨機的讀取。flash存儲器最大的不同在于寫操作方面。flash存儲器的寫操作需要經(jīng)過“擦除—寫入”兩個操作過程。當希望對flash存儲器的某一個單元進行寫入時，首先必須對這個存儲單元所在的區(qū)塊（block）執(zhí)行擦除操作，擦除操作成功完成后，整個區(qū)塊的數(shù)據(jù)內(nèi)容都被清空（一般被設(shè)置成0xff）；然后對目的單元所在的頁面（page）執(zhí)行寫入操作，需要一次寫入整個頁面的全部數(shù)據(jù)內(nèi)容（也有一次flash存儲器支持部分頁的寫入，這樣可以分多次寫完一個頁面，但是一旦寫過的存儲單元數(shù)據(jù)就不能再被更改），操作成功后要進行數(shù)據(jù)正確性的校驗。

一個區(qū)域（block）包含一個或多個頁面（page），一個頁面包含多個數(shù)據(jù)存儲單元（字節(jié)或字）。

為了增強所設(shè)計flash文件系統(tǒng)在不同flash存儲器上的移植能力，選取了3個最基本的操作作為本flash文件系統(tǒng)與flash存儲器設(shè)備的應(yīng)用接口：區(qū)塊擦除（block_erase）、頁面寫入（page_write）、頁面讀出（page_read）。這樣雖然可能會忽略某些flash存儲器產(chǎn)品的獨有特性，但卻增加了所設(shè)計的flash文件系統(tǒng)對同flash存儲器產(chǎn)生的適應(yīng)能力。另外，flash存儲器寫入的時間瓶不在于數(shù)據(jù)傳遞，而是flash存儲器內(nèi)部的擦除和寫操作等；flash存儲器讀出的速度和微處理器處理數(shù)據(jù)的速度都很快，因此雖然將讀和寫的基本單位擴大到了頁面，但額外增加的操作時間是很短的。

2 flash文件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)本flash文件系統(tǒng)在基本結(jié)構(gòu)上與ms-dos的fat文件系統(tǒng)類似[3]。ms-dos是一個應(yīng)用于幾十年的商業(yè)化軟件產(chǎn)品，其fat文件系統(tǒng)技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)資源開銷小，易于在嵌入式系統(tǒng)的硬件平