基于NAND Flash的嵌入式文件系统的研究与实现

论文摘要

传统的嵌入式系统主要应用于控制领域,对数据存储的要求并不高,因此在嵌入式系统中文件系统并没有受到足够的重视。但随着嵌入式技术在航空电子、汽车电子和消费电子等领域应用的不断拓展,嵌入式系统对数据存储和数据管理的要求越来越高,所以嵌入式文件系统应运而生。嵌入式系统有其自身的特点,要求嵌入式设备必须体积小、功耗低、防震等。显然像磁盘这样的传统存储介质并不具备这些特点,不适合在嵌入式系统中存储数据。Flash存储器具有成本低廉、存储容量大、体积小、功耗低等特性,与磁盘相比,更适宜在嵌入式系统中存储数据,已经成为嵌入式系统中最主要的数据存储介质。近年来,针对Flash存储器的嵌入式文件系统不断涌现,主要分为三类:基于块设备的嵌入式文件系统、通用的嵌入式Flash文件系统、专用的嵌入式Flash文件系统。第一类嵌入式文件系统实际上就是基于磁盘的块设备文件系统向Flash存储器的移植;第二类嵌入式文件系统摒弃了移植的思想,是专门针对Flash存储器设计的通用文件系统,既可以在NOR Flash上运行,又可以在NAND Flash上运行;最后一类文件系统是专门针对特定类型的Flash而设计的,实际上是针对NAND Flash设计的文件系统。这三类文件系统代表了嵌入式文件系统发展的三个阶段,虽然每个阶段都较前一个阶段有了巨大的进步,但是基于NAND Flash的嵌入式文件系统仍存在诸多不足:启动时间过长,消耗内存过多,实时性不高等,而专门针对NAND Flash的文件系统对磨损平衡的考虑也不充分。针对NAND Flash文件系统的不足,本文提出了改进的方法。在现有的NAND Flash文件系统中,一个Flash擦除块同时保存了文件的属性信息和数据信息,启动时要逐块扫描。本文改变了这种文件信息的管理方式,将文件的属性信息和数据信息分别存储于不同的擦除块,启动时只扫描属性块,进而减少文件系统的启动加载时间;现有的NAND Flash文件系统在运行的过程中将所有的文件系统控制信息均存储在内存中,导致内存的大量消耗,本文利用程序的局部性原理,只将最近访问的文件信息存储在内存中,降低文件系统对内存的消耗;现有的NAND Flash文件系统并没有考虑Flash各擦除块间的磨损平衡,本文通过将空闲块分类管理,将系统中的冷热数据交替存储于不同类型的擦除块上,实现各擦除块间的磨损平衡。根据以上方法,基于已有的YAFFS文件系统,本文实现了一个新的文件系统SFFS。测试结果表明,SFFS在启动时间、内存消耗和磨损平衡三方面的性能上都较YAFFS有不同程度的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题的来源与意义
• 1.2 文件系统的发展现状
• 1.2.1 块设备文件系统FAT32
• 1.2.2 虚拟文件系统VFS
• 1.2.3 嵌入式文件系统
• 1.3 本文的主要工作及章节安排
• 第二章 嵌入式文件系统概述
• 2.1 Flash 存储器
• 2.1.1 Flash 存储器的分类
• 2.1.2 Flash 的硬件特性
• 2.2 Flash 文件系统的发展
• 2.2.1 基于转译层的块设备文件系统―FTL
• 2.2.2 通用的 Flash 文件系统-JFFS2
• 2.2.2.1 JFFS2 的技术特点
• 2.2.2.2 JFFS2 的存储结构
• 2.2.3 专用的NAND Flash 文件系统－YAFFS
• 2.2.3.1 YAFFS 中数据的存储方式
• 2.2.3.2 YAFFS 文件系统在内存中的组织方式
• 2.3 基于NAND Flash 的嵌入式文件系统的不足
• 2.3.1 启动时间
• 2.3.2 内存消耗
• 2.3.3 磨损平衡
• 2.3.4 实时性
• 2.4 本章小结
• 第三章 NAND Flash 文件系统的优化
• 3.1 减少启动时间
• 3.1.1 文件系统的结点管理
• 3.1.2 改变结点的管理方式减少启动时间
• 3.2 降低内存消耗
• 3.2.1 Cache 原理及淘汰算法
• 3.2.2 利用类Cache 机制降低内存消耗
• 3.3 提高磨损平衡
• 3.3.1 冷热数据的概念
• 3.3.2 利用冷热数据的思想提高磨损平衡
• 3.4 本章小结
• 第四章 SFFS 的设计与实现
• 4.1 SFFS 的整体结构
• 4.2 NAND Flash 驱动程序
• 4.2.1 NAND Flash 的功能结构及操作命令
• 4.2.2 NAND Flash 的读操作
• 4.2.3 NAND Flash 的写操作
• 4.2.4 NAND Flash 的擦除操作
• 4.3 结点的设计与实现
• 4.3.1 SFFS 中三种结点的构成
• 4.3.2 SFFS 的内存数据结构
• 4.3.2.1 文件头的内存映象
• 4.3.2.2 数据结点的内存映象
• 4.3.2.3 类Cache 机制的实现
• 4.4 冷热数据的分离存储实现磨损平衡
• 4.5 SFFS 的API 接口和NAND Flash 驱动接口
• 4.5.1 SFFS 的API 接口
• 4.5.2 SFFS 与NAND Flash 驱动程序的接口
• 4.6 本章小结
• 第五章 SFFS 的测试
• 5.1 测试平台介绍
• 5.1.1 S3C2410A 整体结构
• 5.1.2 S3C2410A 主要的配置参数
• 5.2 SFFS 的性能测试
• 5.2.1 SFFS 启动时间的测试
• 5.2.2 伪Cache 的大小对系统性能影响的测试
• 5.2.3 SFFS 磨损平衡的测试
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果
• 发表的论文
• 硕士期间参与的项目