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NAND Flash是嵌入式文件管理系统开发

添加时间：2019/07/12 来源：北京交通大学作者：王健

本文详细阐述了基于NAND Flash的嵌入式文件系统的设计与实现细节。为了与通用的桌面系统有良好的兼容性，在分析了各种流行的文件系统格式之后，提出采用FAT文件系统格式为基础。
以下为本篇论文正文：

摘要

　　随着信息技术的发展和数字产品的普及,嵌入式系统已经成为当今计算机技术研究与应用的热点。NANDFlash是嵌入式系统中主要使用的存储设备之一,以往基于NANDFlash的嵌入式文件系统专用性较强,对通用的桌面系统考虑不足,这使得通用的桌面系统支持数字多媒体等产品的复杂性加大。

　　本课题设计并实现了一个基于NANDFlash的嵌入式文件系统,它采用FAI,文件系统格式,非常好地实现了与通用桌面系统的兼容性。但是由于NANDFlash的硬件特殊性,FAT文件系统格式并不适合直接应用,需增加Flash传输转换层来均衡擦除带来的磨损,实现动态的地址映射。具体工作如下:

　　(l)研究了嵌入式文件系统的基本理论及发展现状,分析比较了目前各种流行的文件系统格式;研究了闪速存储器的基本理论及技术分类,分析比较了目前两大主流的闪速存储器技术。

　　(2)深入研究了FAI,文件系统格式的原理,构建了逻辑文件系统层)FAT层的总体框架,分别从系统管理、目录管理和文件管理三方面设计结构和操作,并充分考虑嵌入式系统资源有限的特点来配置缓存,实现了文件系统各种基本的功能操作。

　　(3)在FAT层和NANDFlash设备之间增加Flash传输转换层)FTL层,将NANDFlash的逻辑空间依据磨损程度进行划分,设计多种记录更新数据的结构和机制,实现了磨损均衡和逻辑到物理的地址转换。此外,还设计实现了NANDFlash设备的驱动程序。

　　本课题设计的基于NANDFlash的嵌入式文件系统对兼容性和通用性有很大的加强,具体的说:为用户提供一套标准的应用程序接口;组件化的设计不依赖于特定的嵌入式操作系统;支持FAI,全系列的文件系统格式;支持多种类型的NANDFlash设备。另外,在提高系统性能方面,本课题还提出并实现了一种加速文件定位的方法。

　　关键词:嵌入式文件系统;FAT;FTL;NANDFlash;磨损均衡

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

　　随着信息技术的发展和数字产品的普及，嵌入式系统渗透到人们工作、生活的各个方面，广泛应用于网络、手持通信设备、国防军事、消费电子和工制仿真等各个领域，已经成为21世纪计算机应用的热点之一。从八十年代起，一些国际IT组织和公司就开始进行商用嵌入式系统的研发，这其中涌现了一些着名的嵌入式系统，Microsoft公司的Windows CE和WindRiverSystem公司的VxWorks就分别是非实时和实时嵌入式操作系统的代表。

　　Flash存储器主要应用于智能电话、数码相机、PDA、数字录音机、MP3播放器、手机、电动玩具等相关领域。在人们不断追逐更高品质生活的过程中，Flash存储器的容量和其它性能呈现飞速提升的趋势。Flash存储器是一种基于半导体的存储器，它功耗低、容量大、访问速度高、无机械故障、数据非易失、并且不需要特殊的高电压即可电擦除和重复编程，是一种替代EEPROM存储介质和小型硬盘的新型存储器。现在市场上主要的闪存底层技术有NOR和NAND两种。NORFlash较早为业界采用，但其成本较高而且写入速度较慢，仅在注重执行速度或少量数据储存的地方使用。NAND Flash结构强调降低每比特的成本以及更高的性能，是高密度数据存储的理想解决方案，被大量应用于移动存储设备、移动媒体设备和嵌入式设备中。

　　随着嵌入式系统越来越广泛的应用以及数字信号处理与人机交互界面等相关技术的不断成熟，嵌入式多媒体应用数量逐渐上升，需要构建文件系统对不断增加的数据组织和管理。Flash存储器容量大、体积小等一系列优点，使之成为嵌入式系统存储设备的主流。由于NOR Flash更适用于代码存储的场合，而NAND Flash读写速度快，容量大更适合存储数据，所以研究NAND Flash上的嵌入式文件系统更有意义。

　　国外有很多先进的商用嵌入式文件系统组件，但是源代码和核心技术不公开且价格昂贵，而我国这一领域相对比较落后，也没有统一的标准。所以对嵌入式文件系统的研究，并开发我们自己的产品有很重要的现实意义。当今有很多流行的文件系统格式，甚至还有专门为NAND Flash设计的文件系统，但是它们都不能与Windows很好的兼容。之所以强调与Windows的兼容性，是因为移动多媒体设备的需求越来越占据嵌入式应用的重要地位，如数码相机、MP3/MP4播放器、手机等。为了与Windows达到很好的兼容性，FAT成为众多文件系统格式的首选。

　　但是NAND Flash存在着两个主要缺陷:一是在重写之前必须进行块擦除，二是擦除次数有限。而FAT文件系统本身的系统信息集中存放，频繁的对相应的区域进行擦除操作，很容易达到擦除次数上限，导致整个NAND Flash无法使用。因此，需要充分考虑NAND Flash的硬件特性，重新设计以FA'I，文件系统格式为基础的嵌入式文件系统，实现系统数据的有效组织和管理以及NAND Flash性能的最大发挥。

NAND Flash是嵌入式文件管理系统开发：

FTL层的总体框架

逻辑扇区的映射

日志块的数据缓存

合并

映射表的存储

查找映射表

NANDFlash的物理结构
NAND Flash的物理结构

　　摘要
　　ABSTRACT
　　1 引言
　　　　1.1 研究背景
　　　　1.2 研究意义
　　　　1.3 研究内容
　　　　1.4 组织结构
　　2 嵌入式文件系统
　　　　2.1 文件系统概述
　　　　2.2 嵌入式文件系统概述
　　　　2.3 流行的嵌入式文件系统
　　　　2.4 流行的文件系统格式及比较
　　3 闪速存储器
　　　　3.1 闪速存储器概述
　　　　3.2 闪速存储器技术分类
　　　　3.3 NOR技术与NAND技术比较
　　4 FAT，层的设计与实现
　　　　4.1 FAT文件系统格式的原理
　　　　4.2 FAT层总体框架
　　　　4.3 各个功能模块的实现
　　　　　　4.3.1 系统操作
　　　　　　4.3.2 目录操作
　　　　　　4.3.3 文件操作
　　　　4.4 FAT层的启动与调用
　　　　　　4.4.1 格式化和初始化
　　　　　　4.4.2 FAT层对FTL层的调用
　　　　4.5 一种加速文件定位的方法
　　5 FTL层的设计与实现
　　　　5.1 FTL层的引入
　　　　5.2 FTL层总体框架
　　　　5.3 各个功能模块的实现
　　　　　　5.3.1 FAL接口层
　　　　　　5.3.2 读写机制
　　　　　　5.3.3 地址转换
　　　　　　5.3.4 坏块管理
　　　　　　5.3.5 磨损均衡
　　　　　　5.3.6 驱动接口层
　　　　5.4 FTL层的启动与调用
　　　　　　5.4.1 格式化和初始化
　　　　　　5.4.2 读操作
　　　　　　5.4.3 写操作
　　6 嵌入式文件系统的测试
　　　　6.1 测试平台
　　　　6.2 测试设计
　　　　　　6.2.1 功能测试
　　　　　　6.2.2 性能测试
　　　　6.3 测试总结
　　7 总结
　　参考文献
　　独创性声明
　　学位论文数据集

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