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基于虛擬扇區的Flash存儲管理技術
摘要：首先，針對閃存Flash的存儲編程特點，提出一種基于虛擬扇區的閃存管理技術，使系統對Flash的擦寫次數大大降低，從而提高Flash的使用壽命和整個系統的性能。然后，通過嵌入式系統電子名片管理器，介紹這一技術的使用。隨著閃存的廣泛應用，對Flash的有效存儲管理將有很大的實用意義和社會效益。關鍵詞：閃存Flash 虛擬扇區VSS 存儲管理 扇區分配表SAT
引言
隨著嵌入式系統的迅速發展和廣泛應用，大量需要一種能多次編程，容量大，讀寫、擦除快捷、方便、簡單，外圍器件少，價格低廉的非易揮發存儲器件。閃存Flash存儲介質就是在這種背景需求下應運而生的。它是一種基于半導體的存儲器，具有系統掉電后仍可保留內部信息，及在線擦寫等功能特點，是一種替代EEPROM存儲介質的新型存儲器。因為它的讀寫速度比EEPROM更快，在相同容量的情況下成本更低，因此閃存Flash將是嵌入式系統中的一個重要組成單元。
然而，由于Flash讀寫存儲的編程特點，有必要對其進行存儲過程管理，以使整個系統性能得以改善。
1 閃存Flash的存儲編程特點
Flash寫：由1變為0，變為0后，不能通過寫再變為1。
Flash擦除：由0變為1，不能只某位單元進行擦除。
Flash的擦除包括塊擦除和芯片擦除。塊擦除是把某一擦除塊的內容都變為1，芯片擦除是把整個Flash的內容都變為1。通常一個Flash存儲器芯片，分為若干個擦除block，在進行Flash存儲時，以擦除block為單位。
當在一個block中進行存儲時，一旦對某一block中的某一位寫0，再要改變成1，則必須先對整個block進行擦除，然后才能修改。通常，對于容量小的block操作過程是：先把整個block讀到RAM中，在RAM中修改其內容，再擦除整個block，最后寫入修改后的內容。顯然，這樣頻繁復雜的讀-擦除-寫操作，對于Flash的使用壽命以及系統性能是很不好的，而且系統也常常沒有這么大的RAM空間資源。一種基于虛擬扇區的管理技術可以有效地控制Flash的擦寫次數，提高Flash的使用壽命，從而提高系統性能。
2 基本原理
2.1概念
VSS（Visual Small Sector），虛擬小扇區：以它為單位讀寫Flash內容。
VSS ID（Visual Small Sector Identity），虛擬小扇區號：只通過虛擬扇區號進行存儲，不用考慮它的真實物理地址。
SI（Sector Identity），分割號：一個擦寫邏輯塊中物理扇區的順序分割號。
BI（Block Identity）,塊號：Flash芯片中按擦除進行劃分的塊號。
SAT（Sector Allocate Table），扇區分配表：一個擦寫邏輯塊中的扇區分配表。一個SAT由許多SAT單元組成，一個SAT表對應一個Block，一個SAT單元對應一個VSS。
每個SAT單元最高兩位為屬性位，后面各位為VSS ID號。如果一個SAT單元由16位組成，則VSS ID最大可以達到16×1024；而如果SAT單元由8位組成，則VSS ID最大可以達到64，具體約定由應用情況而定。
2.2 實現原理
把每個block分為更小的虛擬邏輯塊（visual small sector），稱為虛擬扇區，扇區大小根據應用而定。每個block前面的一固定單元用于記錄本block中扇區分配的使用情況（即扇區分配表），包括扇區屬性及扇區邏輯號。圖1為邏輯扇區劃分示意圖。
在進行數據讀寫和修改時，以虛擬扇區塊的大小為單位。要修改某一扇區的數據時，先讀出這個扇區的內容，重新找一個未使用的扇區，把修改后的內容寫入這個新扇區。然后，修改原來扇區的屬性值為無效，修改這個新扇區的屬性為有效，拷貝VSS ID號到新扇區對應的SAT單元中。
這樣，當某一個block中的SAT屬性都標為無效時，才對當前block進行擦寫。可見，以虛擬扇區大小為單位的存儲管理，對Flash塊的擦寫次數可大大減少，從而提高了系統性能。
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3 VSS管理實現要點
3.1 常數部分
#define BLOCKSIZE 128*1024 //可根據Flash型號修改
#define SECTORSIZE
512 //可根據Flash型號及應用情況修改
#define MAX_BLOCK 8 //可擦除塊個數
#define MAX_SI_1B 255 //每個可擦除塊中有效SI個數
#define SATSIZE 510 //扇區分配表大小
#define VSS_MASK 0XC000 //VSS屬性屏蔽值
#define VSS_FREE 0XC000 //VSS為未使用的屬性值
#define VSS_VALID 0X4000 //VSS為有效的屬性值
#define VSS_INVALID 0X0000 //VSS為無效的屬性值
3.2 數據結構部分
unsigned char VSS_Table[MAX_BLOCK][MAX_SI_1B/8];用于記錄Flash中各個block的使用情況。數組中的某位為1，表示相應sector為未使用；否則，為已經寫過，系統通過這個表可以跟蹤各個block的使用情況。
3.3 函數功能部分
1） Flash_Format()//擦除整塊Flash存儲介質。
2） Flash_Init()//對VSS管理系統參數進行初始化，填充VSS_Table表，統計Flash的使用情況。在系統復位初始時調用。
3） Block_Erase(int blockID)//擦除塊號為block ID的塊。
4） Find_VSS(int vss)//查找VSS所在的block ID及分割號SI。
5） Get_Addr(int vss)//取得VSS所在的物理地址。
6） Scan_SAT(int blockID)//整理塊號為block ID的SAT，填充VSS_Table[]。
7） Flash_Read(long addr,char *pdata,int len)//從物理地址為addr的Flash處讀取len個字節到pdata。
8） Flash_Write(long addr,char *pdata,int len)//寫pdata中長度為len的數據到指定地址為addr的Flash中。
9） Read_Sat(int bi)//讀取塊號為blockID的SAT。
10） IsValid(vat)//檢查本SAT單元屬性是否有效。
11） IsFree(vat)//檢查本SAT單元屬性是否未使用。
12） IsInvalid(vat)//檢查本SAT單元屬性是否無效。
13） Read_VSS(addr)//從地址為addr處讀一個VSS。
14） Write_VSS(addr,*pData)//把pData中的內容寫到從地址addr開始的一個VSS中。
4 計算VSS ID的物理地址
要對某個VSS ID進行讀寫操作，必須先找到其物理地址。
定位某個VSS ID物理地址的過程如下。
① 查找這個VSS ID所在的塊號（BI）以及在這個塊中所處的分割號（SI）。
從第一個block開始，搜索這個塊的SAT表。首先搜索屬性，只有屬性為有效的才比較VSS ID號。如果條件滿足，記錄所在的塊號BI及SAT的位置，即扇區分割號SI；否則，block號增加，繼續按照上面步驟查找。
bFound=0;
for(int i=0;i<MAX_block;i++)
{//讀取對應block的SAT表
psat=ReadSat(i)
for(j=0;j<MAX_SI_1B;j++)
{//分析每個SAT單元
sat=*psat++;
if(IsValid(sat))//比較屬性是否有效
{//比較邏輯號是否相等，相等設置標志退出
if(Equal(sat,VSSID)){bFound=1;break;}
}
}
if(bFound){bi=i;si=j;break;}//找到后記錄塊號和分割號退出
}
②找到VSS ID所在的塊號及分割號（SI）后，這個VSS ID的物理地址為：
ADDR=整個Flash的偏地址+
BLOCKID*BLOCKSIZE+SATSIZE+SI*SECＴＥＲＳＩＺＥ。
５ 應用
應用于名片記錄管理系統：由于名片記錄很大，而且記錄很多，存在常常修改的情況，因此可以使用Flash作存儲介質。
名片記錄結構為：
struct CARD
{
char name[10]; //姓名：１０字節
char position[15]; //出職務：１５字節
char companyname[40]; //公司名稱：１５字節
char mobilephone[11]; //手機號碼：１１字節
char homephone[15]; //家庭電話：１５字節
char officephone[15]; //辦公電話：１５字節
char Email[30]; //郵件地址：３０字節
char homepage[30]; //公司主頁：３０字節
char remark[40]; //備注：４０字節
｝card_record;
每個名片記錄大小為：１８１字節。
對于１ＭＢ的Flash，分為８個block，每個block為１２８ＫＢ（１３１０７２字節）。
針對以上情況，作如下分配：
每個扇區大小為１８１字節；
ＳＡＴ大小為１４３２字節，每個ＳＡＴ單元用１６位（２字節）；
分為７１６個扇區，也相當于１個block能存７１６條名片記錄，則１３１０７２－１４３２－７１６×１８１＝４４字節為空閑。
常數定義部分修改如下：
#define blockSIZE 128*1024 //每個block大小
#define SECTORSIZE 181 //每個扇區大小
＃define MAX_SI_1B 716 //每個可擦除塊中有ＳＩ個數
＃define SATSIZE 1432 ／／扇區分配表大小
#define VSS_MASK 0XC000 //ＶＳＳ屬性屏蔽值
#define VSS_FREE 0XC000 //VSS為未使用的屬性值
＃define VSS_VALID 0X4000 //VSS為有效的屬性值
＃define VSS_INVALID 0X0000 //VSS為無效的屬性值
約定：首先對名片進行編號，且約定名片的編號對應于ＶＳＳ ＩＤ邏輯號。
a) 記錄增加。增加一個記錄時，根據提供的ＶＳＳ ＩＤ號，首先查找這個記錄號是否在使用。如果還沒有使用，首先查找這個記錄號是否在使用。如果還沒有使用，則申請一個未使用的ＶＳＳ，把相在內容寫入這個ＶＳＳ，修改其對應的ＳＡＴ單元，寫入有效屬性值和ＶＳＳＩＤ號；否則，進入記錄修改過程。
b) 記錄刪除。要刪除一個記錄時，根據提供的ＶＳＳ ＩＤ號，查找ＳＡＴ表。如果找到，修改其對應的ＳＡＴ屬性為無效；否則，說明這個記錄不存在。
c) 記錄查找。①由ＶＳＳ ＩＤ號進行的查找：根據提供的ＶＳＳ ＩＤ號，查找所有的ＳＡＴ表中屬性為有效的ＶＳＳ ＩＤ，返回相應的ＢＩ及ＳＩ。②根據名片的用戶名查找：檢測所有的ＳＡＴ表中屬性為有效的ＶＳＳ ＩＤ，得到相應的ＢＩ及ＳＩ，由ＢＩ及ＳＩ定位到指定Flash物理地址讀入用戶各到ＲＡＭ中，比較是否相等。如果相等，讀取并返回ＳＡＴ單元的ＶＳＳ ＩＤ；否則，繼續查找。
d) 記錄修改。當要修改一名片記錄時，由ＶＳＳ ＩＤ先把這個記錄讀入到ＲＡＭ中，然后修改其內容，重新找一個未使用的扇區，把修改后的內容寫入到這個新扇區中，并拷貝其ＶＳＳ ＩＤ
號到這個新扇區對應的ＳＡＴ單元，修改其屬性為高，修改原來的扇區屬性為無效。
結語
本文提出的Flash存儲管理技術原理簡單實用。它是對那些復雜的Ｆlash文件管理系統的一種剪裁、簡化和定制。對于那些不需要復雜的文件管理系統，而又使用了Ｆlash作為存儲介質的嵌入式系統有很好的借鑒意義和使用價值，如手機電話號碼簿管理、短信管理等都可以利用這種技術進行管理。
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