基于VDK的嵌入式文件系統實現

林 森，曹曉曼，方火能，刑開宇

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071)

Blackfin(BF)系列DSP是ADI公司和Intel公司共同開發的DSP，采用了一種新型結構MSA。BF系列中的BF537具有較塊的運算速度和豐富的接口資源，長于控制和視頻圖像處理，且其帶有符合IEEE 802.3規范的以太網控制器，如果在BF537中移植帶有LwIP協議棧的VDK工程，并利用網絡芯片對537進行擴展，就能便捷地實現嵌入式系統與因特網的通信［1－2］。

由于低功耗、數據非易失、存儲速度快、存儲密度大等優點，Nand Flash在閃存行列中脫穎而出，常被用作大容量數據的存儲媒質。隨著存儲系統容量和存取速度的不斷提升，構建嵌入式文件系統來實現存儲系統中數據的管理。

1 VDK與嵌入式文件系統

1.1 VDK簡介

VDK(Visual DSP Kernel)是ADI公司針對Blackfin系列DSP處理器特別開發的“小而健壯”的輕量級內核，特別適合編寫需要精確控制的代碼，是一個提供了豐富的API函數庫，同時支持輕量級IP協議棧(LwIP)的RTOS。

VDK功能全面，具有線程、信號量、事件與事件位、消息、關鍵域與禁止調度域等特征。內核通過協同多任務和時間片輪轉的方式來管理和協調線程，這種方式稱為“調度”。VDK運用程序可分為兩部分:線程域和中斷域。線程域中的調度稱為“軟件調度”，由內核完成;中斷域中的調度稱為“硬件調度”，由中斷控制器完成。后者的優先級高于前者，而設備驅動是兩者溝通的橋梁。

1.2 基于Nand Flash的嵌入式文件系統簡介

Flash文件系統主要有開源的和商業的兩類。開源的Flash文件系統，有 JFFS、JFFS2、YAFS等。JFFS采用高效的日志文件系統，具有掉電安全、臟塊回收、磨損均衡等特性，主要用于嵌入式Linux。Red Hat公司后來在JFFS基礎上進行升級，發展出JSSF2。JSSF2采用哈希表的日志節點結構，加快了節點的操作速度。YAFFS也是基于日志結構的文件系統，相比 JFFS，YAFFS減少了一些功能，但降低了內存占用率，提高了訪問速度。

商業Flash文件系統主要有TrueFFS和TransactionFFS。前者用于仿真硬盤驅動，利用冗余數據結構保證可靠的數據操作，并能均勻使用Flash。后者使用事務記錄方案，運用程序可通過FAL訪問文件系統。

2 嵌入式系統的硬件平臺

基于BF537的嵌入式系統硬件平臺的框圖如圖1所示［3］。

LAN8187用于對BF537的以太網控制器進行擴展，使其能夠通過以太網絡與上位機進行通信。

圖1 嵌入式系統的硬件平臺

BF537外掛了兩片Nor Flash芯片作為其異步外存。程序 Nor Flash用于存儲運行程序代碼，數據Flash主要用于存儲文件系統運行所需的數據，例如文件目錄表、地址映射表等。XC4VFX100用于處理數據流的速度、解析和轉發BF537的命令，配合BF537對存儲陣列進行管理。

3 嵌入式文件系統設計

3.1 文件目錄表

考慮到存儲系統的存儲速度較快，且文件數目較少的特點，文件目錄表采用線性表的方式。格式如表1所示，其中的“更新次數”用于記錄存放文件目錄表數據 Nor Flash的編程次數［4］。

表1 文件目錄表格式

文件系統采用Nor Flash中的一個64 kB的數據塊實時記錄文件目錄表。出于磨損均衡的考慮，如果數據塊的編程次數超過規定的閾值，文件系統將自動跳到Nor Flash的下一個64 kB的數據塊記錄文件目錄表。

有些數學教師也想在課堂上留出時間給學生思考，但對留白時機的把握還有所欠缺．對于簡單的問題，學生可能一下子就可以得到正確答案，留白時間過長不僅影響了課堂進度，還會讓學生失去興趣；另一方面，對于難度過大的問題，教師不加點撥，便留了大量時間讓學生獨立作答，這對學生思維發展也是沒有益處的，甚至會打擊學生學習數學的信心[11]．課堂時間是有限的，并不是每個問題都需要過多地思考，同時為了避免影響教學的連貫性及教學進度，課堂留白應當注重時機，在與教學重難點緊密聯系的“主問題”上可以多花時間，而一些不需要太多思考的細枝末節處則無需過多留白．

文件索引采用類似日志記錄的方式，每個文件索引作為文件目錄表的一個節點。文件系統進行文件操作時，可以根據具體操作要求，實時搜索、增刪和標記索引節點，文件索引格式如表2所示。

表2 文件索引格式

文件存儲時，主線程遍歷文件目錄表的節點信息，計算出當前存儲的起始塊地址，然后向存儲陣列發出開始存儲的命令，隨后將控制權交給中斷域。一旦接收到存儲陣列的地址請求信號，運用程序進入中斷，在中斷域中向文件存儲子線程發出信號，以發送當前地址信息，如此反復。如果主線程接收到用戶停止存儲的命令，將立即關閉中斷，取得控制權，接著將最新的文件信息更新到文件目錄表的最后位置，作為最新的節點。

文件下載時，主線程遍歷文件目錄表，找到相應的文件索引信息，然后發送消息給文件下載子線程，開始對指定文件進行下載。如果需要刪除某個文件，在遍歷目錄表找到指定文件的信息后，先發送地址將存儲陣列相應數據塊的信息擦除，然后將該文件索引信息的“文件標記”置為“刪除”標記。

3.2 地址映射表

地址映射是文件系統的核心。文件系統將整個存儲陣列作為一個獨立的地址空間，統一編址。通過定義一個地址緩沖區，將其相應的偏移地址作為Nand Flash的物理地址，并根據壞塊信息對緩沖區相應偏移地址的單元做壞塊或有效塊的標記。文件系統在實際操作中，可“查詢”地址緩沖區，如果地址緩沖區某偏移地址為壞塊標記，則拋棄，繼續查詢下一個偏移地址的標記，如為有效塊標記，則將此偏移地址作為存儲陣列的有效物理塊地址。

為提高存儲效率和方便管理，地址緩沖區的內容會被記錄在數據Nor Flash中，作為一個“地址映射表”。地址映射表體積不大，燒寫到Nor Flash時，可將燒寫代碼推入到VDK的“關鍵域”中，因為燒寫時間小于兩次中斷間隔，這樣既不會照成中斷延時，又能保證燒寫工作一次完成［5］。

硬件平臺上電后，系統啟動線程首先讀取Nor Flash中的地址映射表到地址緩沖區，隨后基于地址緩沖區進行文件管理;如需更新壞塊信息，首先更新地址緩沖區，然后將地址緩沖區內容記錄到Nor Flash中。故而名為“映射”，實質是一種“標記”的方法。地址映射機制如圖2所示。

圖2 地址映射表的設置與使用

3.3 壞塊回收

Nand Flash芯片在出廠時就存在隨機壞塊，同時隨著使用時間的推移，一些有效塊也會因為編程的原因成為新的壞塊，故而存儲陣列在使用一段時間后，應當更新壞塊信息?？紤]到陣列中文件的安全性和完整性，系統設置為存儲陣列為空時方能更新壞塊信息。

格式化整個陣列后，存儲陣列中的FPGA芯片依次讀取每個數據塊的第一頁數據，如果發現非0xFF數據的個數超過設定閾值，就認為此數據塊為壞塊。之所以設定閾值而不是一有非0xFF數據就視為壞塊，是為了克服數據讀取的不穩定性。

BF537讀取存儲陣列傳送來最新壞塊信息后，按照圖2中地址映射表設置的辦法，首先更新地址映射緩沖區，隨即將地址映射緩沖區的內容實時更新到數據Nor Flash中，保持兩者的同步。

由于壞塊信息更新的時間可能較長，更新工作放在主線程中可能造成較大時延，影響主線程對用戶命令的響應，所以壞塊回收與標記可放在子線程中。

3.4 磨損均衡

Nand Flash芯片的編程次數有限，如果對某個數據塊操作過于頻繁，將迅速縮短其使用壽命，最終成為壞塊，乃至影響整個芯片的使用。如果均衡地使用Flash芯片的每個數據塊，對其操作的概率在較長時間內大體相當，這樣不僅能減少芯片壞塊的比例，也能延長存儲陣列的使用壽命。

開源和商業的文件系統，都有較為完備的臟塊回收和磨損均衡的機制，但是其算法往往較復雜，同時需要將運行信息實時更新到Flash芯片中。在存儲速率要求很高的情況下，復雜的機制對存儲速率將不可避免地造成影響。

文件系統關于磨損均衡的解決方案主要是順序存儲和陣列整理。文件存儲時，并不使用“鏈式存儲”，填充文件刪除所留下的“空洞”，而采用“連續存儲”的方式，將最新的文件存儲到當前所有文件的末尾。這樣不僅編程簡單，而且存儲陣列在一段時間后可能會被耗盡，此時如果刪除尾部的某些文件，那么下個的文件可以存儲在這些空余出來的位置;如果利用陣列整理功能將當前文件“壓縮”為連續緊湊的文件序列，去除文件刪除時留下的空洞，這樣整理出來的空間也可以繼續用于下次存儲。

3.5 掉電保護

嵌入式系統硬件平臺的工作環境一般較為惡劣，電源模塊隨時會有停止供電的可能。故而掉電保護是嵌入式文件系統設計的重點和難點。

微軟的FAT文件系統的掉電保護主要針對FAT表，本文件系統也是基于這個理念。開始文件存儲時，子線程對發送的塊地址數目做一個計數，當計數量達到設定的閾值N后，將新文件的信息更新到文件目錄表緩沖區中，并立即將文件目錄表更新到Nor Flash中，兩個更新的操作不能被中斷，故而將這段代碼推入到關鍵域中。隨后將計數值清零，重新開始前一過程。如果在存儲過程中掉電，重新上電啟動后，開始新的存儲，系統會自動查詢存儲陣列最后一個文件的狀態標記，如果標記為暫存，則判定最后一個文件在存儲時遇到了掉電的情況，那么系統自動擦除該文件接下來N個數據塊的信息，然后最后一個文件開始新的存儲。

文件刪除操作是在刪除動作完成后才更新文件目錄表，如果在刪除過程中掉電，那么上電后，用戶可以對該文件重新刪除。文件的拷貝和剪切是在操作前更新文件目錄表，如果在操作過程中出現斷電，重新上電后，用戶可先刪除拷貝后的新的文件，去除殘塊，然后開始新的操作。

4 結束語

介紹的嵌入式文件系統已在項目中成功投入使用，當然仍有許多方面需要改進。例如文件目錄表如果較長，線性遍歷耗時也會相對較長;文件目錄表沒有備份，如果更新文件列表時存儲系統出現掉電，該如何應對等。VDK是ADI公司為自己的集成開發環境量身打造的內核，相對于Linux等開源系統來說，使用范圍可能較窄，但基于ADI的DSP使用自然有其得天獨厚的優勢。

［1］Analog Devices Inc.bf537_hwr_Rev3.2.Analog Devices［DB/MT］.USA:Analog Devices Inc，2008.

［2］Analog Devices Inc.50_vdk_man.3.1.Analog Devices［DB/MT］.USA:Analog Devices Inc，2009.

［3］張小東，馮小平，羅越.基于ADSP－BF537的VDK/LwIP嵌入式實時操作系統設計與實現與應用［J］.電子元器件應用，2010，12(1):6 －10.

［4］董永帥.Flash文件系統及存儲管理技術研究與實現［D］.武漢:華中科技大學，2008.

［5］蘇國立.基于VDK的文件系統的設計與實現［D］.北京:中國科學院，2009.