基于嵌入式Linux的Flash存储系统的研究和实现

摘要摘要 Ｆｌａｓｈ存储器由于体积小、功耗低、性能稳定等特点在便携式电子产品中得到了广泛的应用。Ｆｌａｓｈ存储器主要有两种形式：Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ和Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ．　Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ具有ＸＩＰ特性，可以直接在芯片上执行代码，而且读取速度较快。Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ存储密度高、容量大、生产工艺简单、性价比高，但是控制方式复杂而且可能会存在一定的坏块。根据各自的特点，这两种Ｆｌａｓｈ存储器分别用于不同的系统中。 ８０５ｐｌｕｓ微处理器是由东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心和北京大学微处理器研究开发中心共同设计的３２位移动终端应用处理器，面向低成本手持设备和其它通用嵌入式设备。本课题的研究和实现基于采用８０５ｐｌｕｓ平台设计开发的媒体播放器，提出了在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中的Ｆｌａｓｈ存储系统的硬件和软件方案。系统采用了Ｎｏｒ和Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ结合的方案，在Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ上存储与系统相关的软件和程序，在Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ上存储用户数据和多媒体数据。 在嵌入式Ｌｉｎｕｘ中的Ｆｌａｓｈ存储系统的设计和实现主要包括两个部分：一部分是Ｆｌａｓｈ芯片驱动。本文结合８０５ｐｌｕｓ芯片提供的ＥＭＩ控制器和Ｎａｎｄ控制器以及ＤＭＡ和中断控制器分别实现了Ｎｏｒ和Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ的读写擦除等基本的操作，从而实现对Ｆｌａｓｈ芯片以及其介质上数据访问和控制，在这个基础上按照Ｌｉｎｕｘ　ＭＴＤ设备驱动机制实现相关的设备驱动。Ｆｌａｓｈ芯片驱动与硬件平台的相关性很大，这是本文的主要内容。另外一个部分是实现Ｆｌａｓｈ上的数据管理。本文分别根据Ｎｏｒ和Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ数据存储和操作特点提出了Ｆｌａｓｈ上数据管理的要求，分析了ＪＦＦＳ２和、ＡＦＦＳ的特点以及各自的存储方式、断电保护、损耗平衡、垃圾回收等一系列的策略和机制，并在此基础上分别在Ｎｏｒ和Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ上实现并优化了这些管理机制。 本文最后根据平台特点进行Ｌｉｎｕｘ源代码的配置和编译，并在硬件平台上进行了功能验证。

关键字：Ｆｌａｓｈ．　Ｌｉｎｕｘ，　ＭＩＤ，　８０５ｐｌｕｓ．　ＵｎｉＣｏｒｅ、数据管理、文件系统东南大学硕士学位论文Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｌａｓｈ　ｍｅｍｏｒｉｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅｉｒ　ｓｍａｌｌ　ｓｉｚｅ，　ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ　ｂｙ　ｓｔａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ．　Ｆｌａｓｈ　ｍｅｍｏｒｙ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎ　ｔｗｏｆｏｒｍｓ：　Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ　ａｎｄ　Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ．　Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ　ｓｕｐｐｏｒｔｓ　ＸＩＰ－ｔｈｅ　ｃｏｄｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｘｅｃｕｔｅｄ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｉｎｔｈｅ　ｃｈｉｐ，　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｒｅａｄｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ．　Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ　ｍｅｍｏｒｙ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ，　ｓｉｍｐｌｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ－ｐｒｉｃｅ　ｒａｔｉｏ．　Ｈｏｗｅｖｅｒ，　ｉｔｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ａｎｄ　ｈａｓａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｂａｄ　ｂｌｏｃｋｓ．　Ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　Ｆｌａｓｈ　ｍｅｍｏｒｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍｓａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅｉｒ　ｏｗｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． ８０５ｐｌｕｓ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　ＡＳＩＣ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＭＰＲＣ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．　Ｉｔ＇ｓ　ａ　３２－ｂｉｔ　ｍｏｂｉｌｅ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，　ｇｅａｒｅｄ　ｔｏ　ｌｏｗ－ｃｏｓｔ　ｈａｎｄｈｅｌｄ　ｄｅｖｉｃｅ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｃｏｍｍｏｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｄｅｖｉｃｅｓ．　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅｍｅｄｉａ　ｐｌａｙｅｒ　ｕｓｉｎｇ　８０５ｐｌｕｓ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，　ｔｈｅ　ｔｏｔａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　Ｆｌａｓｈ　Ｓｙｓｔｅｍｉｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｌｉｎｕｘ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ａｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎｏｒ　ａｎｄ　Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｗｅ　ｓｔｏｒｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｌａｔｅｄｄａｔａ　ｏｎ　Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ，　ａｎｄ　ｕｓｅｒｓ＇　ｄａｔａ　ｏｎ　Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ． Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｔｗｏ　ｍａｉｎ　ｊｏｂｓ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　Ｆｌａｓｈ　ｍｅｍｏｒｙ　ｉｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｌｉｎｕｘ：　Ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｉｓ　Ｆｌａｓｈ　ｄｒｉｖｅｒ．Ｗｅ　ａｃｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　Ｎｏｒ　ａｎｄ　Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＥＭＩ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｅｄ　ＤＭＡ　ａｎｄｉｎｔｅｒｒｕｐｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｉｎ　８０５ｐｌｕｓ　ｃｈ币，ｔｈｅｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　Ｆｌａｓｈ　ｄｒｉｖｅｒ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｌｉｎｕｘ　ＭＴＤＭｅｃｈａｎｉｓｍ．　Ｆｌａｓｈ　ｄｒｉｖｅｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｊｏｂ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｉｔ　ｉｓ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｒｅｌａｔｅｄ．　Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｎ　Ｆｌａｓｈ．　Ｗｅ　ｐｒｏｐｏｓｅ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｆｌａｓｈ，　ｔｈｅｎ　ａｎａｌｙｚｅ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ａｂｏｕｔ　ｄａｔａ　ｓｔｏｒｅ，ｐｏｗｅｒ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，￣ｌｅｖｅｌｉｎｇ，　ｇａｒｂａｇｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｔｃ，　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅｓｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ． Ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｄｅ　ｏｆ　Ｌｉｎｕｘ　ｉｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｉｌｅｄ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｏｕｒｐｌａｔｆｏｒｍ．　Ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｗｏｒｋｓ　ｗｅｌｌ．

Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：　Ｆｌａｓｈ，　Ｌｉｎｕｘ，　ＭＴＤ，　８０５ｐｌｕｓ，　ＵｎｉＣｏｒｅ，　ｄａｔａ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，　ｆｉｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研究生签名：禅。期 ．砷．《了

东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办理。

研究生签名：豫夔导师签名平禽一日期：第一章绪论第一章绪论

１．１课题背景 在ＰＣ发展的同时，我们注意到另外一个分支一嵌入式系统电子产品也迅猛发展。嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统川。 这类产品涉及到人们工作生活的方方面面，像手机，ＰＤＡ，　ＭＰ３，电视机顶盒，自动售货机，医疗设备等等。它在体积，功耗，功能方面有着与ＰＣ所不同的特点。随着嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化，原来在某些设备或领域中占主导地位的单片机和无操作系统的软件已经越来越难以为继。这对我们的软硬件系统提出了新的要求。 在软件方面，由于要求有多任务、实时性、网络、数据存储、用户交互、协同开发等功能，采用嵌入式操作系统比传统的控制循环更为合适。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，它的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的工作量，提高了嵌入式软件的可移植性。目前存在的嵌入式操作系统有很多种，其中比较著名的有：ＶｘＷｏｒｋｓ，　Ｎｅｃｕｌｅｕｓ，　ＷｉｎＣＥ，　ＰａｌｍＯＳ等等，但是这些系统都是商业的，价格昂贵。而Ｌｉｎｕｘ则是开放源码的，而且它具有内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高等特点；它易于定制剪裁，并且支持多达数十种ＣＰＵ芯片；它有大量的且不断增加的开发工具，这些工具为嵌入式系统的开发提供了良好的开发环境：此外，在图像处理、文件管理及多任务支持等诸多方面，Ｌｉｎｕｘ的表现都非常出色，因此它不仅可以充当嵌入式系统的开发平台，其本身也是嵌入式系统应用开发的好工具。嵌入式Ｌｉｎｕｘ是将通用Ｌｉｎｕｘ操作系统进行裁剪、修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。它既继承了通用Ｌｉｎｕｘ的优点，又具有嵌入式操作系统的特性。 嵌入式系统的硬件平台是功能实现和操作系统运行的载体，其中使用的处理器一般是ＲＩＳＣ的ＣＰＵ和集成许多外围功能电路模块的ＳＯＣ芯片。８０５１芯片在传统领域有着一定的市场，但是随着功能要求的提高，它已经越来越不能满足要求，以ＡＲＭ为Ｃｏｒｅ的Ｓｏｃ芯片像Ｓａｍｓｕｎｇ的２４１０，Ｉｎｔｅｌ的ＸＳｃａｌｅ以及Ｓｅｕｉｃ的Ｇａｒｆｉｅｌｄ等芯片目前得到了广泛的应用。在这个领域自主知识产权的意义显得尤其重要，特别是在一些敏感领域的使用。基于Ｕｎｉｃｏｒｅ的８０５ｐｌｕｓ处理器作为东南大学与北京大学合作的自土知识产权的嵌入式系统ＳＯＣ芯片在我们的系统中得到了应用。 硬件平台的另外一个重要方面就是存储系统，它也是嵌入式操作系统的重要组成部分。嵌入式设备的低功耗，便携等特点，使得传统ＰＣ上的软盘，硬盘，光盘等存储设备在这上面使用不太合适。这里的存储器要求体积小，功耗低，抗震动，数据不易丢失等特点。对于系统运行的程序部分内容较固定但要求能够可靠的保存和运行，而用户保存的数据则要求容量大而且要经常修改。 目前在便携式设备的市场上，Ｆｌａｓｈ是最流行的存储设备，手机、ＰＤＡ，　ＭＰ３随身听和ＵＳＢ　Ｓｔｏｒａｇｅ等都大量使用了Ｆｌａｓｈ作为存储设备。Ｆｌａｓｈ存储设备有两种技术：一种是目前广泛使用的Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ．　ＮｏｒＦｌａｓｈ具有ＸＩＰ　（ｅＸｅｃｕｔｅ　Ｉｎ　Ｐｌａｃｅ）特性，可直接在芯片上执行代码，而且随机读取速度快。在目前便携式设备对于容量要求不是很高的情况下得到了广泛使用。另一种就是目前被业界看好的Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ，　ＮａｎｄＦｌａｓｈ有着很高的存储密度，而且生产工艺也很简单。相对于Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ的高成本和低容量，Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ以其高的容量阶格比显现出强劲的市场竞争力，它的出现为提高存储容量和降低产品的成本提供了很好的解决方案。由于Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ没有独立的地址线，必须以复杂的ｖ０时序进行访问，并且由于工艺问题，ＮａｎｄＦｌａｓｈ在出厂时可能有少量的坏块，所以在使用时必须考虑这方面的因素。在实际使用中可以根据具体方案的要求采用Ｎｏｒ或者Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ．