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適宜于嵌入式多媒體應(yīng)用的Flash文件系統(tǒng)
摘要：嵌入式多媒體應(yīng)用中大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Flash上，本文以文件系統(tǒng)的方案解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的管理問(wèn)題。對(duì)嵌入式多媒體應(yīng)用中Flash文件系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)與關(guān)鍵設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能完整的文件代號(hào)管理、文件指針存取以及對(duì)應(yīng)用透明的自動(dòng)壞損管理的文件系統(tǒng)。針對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的需要，改進(jìn)了本Flash文件系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性，降低了其系統(tǒng)資源開(kāi)銷(xiāo)。針對(duì)多媒體應(yīng)用的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出了存儲(chǔ)內(nèi)容自適應(yīng)的環(huán)境管理策略。仿真與實(shí)用的效果表明，本Flash文件系統(tǒng)適宜于嵌入式多媒體應(yīng)用。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 多媒體Flash存儲(chǔ)器 文件系統(tǒng)
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來(lái)越多地在控制類、消費(fèi)類、通訊類等電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用，并且隨著數(shù)字信號(hào)處理與人機(jī)交互界面等相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，嵌入式多媒體應(yīng)用數(shù)量也逐漸上升。多媒體業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)內(nèi)容復(fù)雜，在多媒體應(yīng)用中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理是不容回避的問(wèn)題。Flash存儲(chǔ)器制造成本低廉、存儲(chǔ)容量大、數(shù)據(jù)非易失、無(wú)機(jī)械故障，在目前的嵌入式系統(tǒng)中被廣泛用作外存儲(chǔ)器件。然而Flash存儲(chǔ)器卻是一種數(shù)據(jù)正確性非理想的器件，應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)壞損數(shù)據(jù)單元，這又給應(yīng)用Flash存儲(chǔ)器嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理增添了新的難度[1]。
在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用Flash存儲(chǔ)器最好的辦法是在其上構(gòu)造一個(gè)文件系統(tǒng)，對(duì)Flash存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行基于文件代號(hào)的存儲(chǔ)管理，同時(shí)對(duì)于Flash存儲(chǔ)器本身的壞損單元自動(dòng)進(jìn)行應(yīng)用透明的壞損管理。目前在通用計(jì)算機(jī)上已經(jīng)有很多成熟的文件系統(tǒng)，如DOS下的FAT文件系統(tǒng)、Windows NT下的NTFS文件系統(tǒng)及UNIX文件系統(tǒng)等[2]。但是這些文件系統(tǒng)并不適合直接用到嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)內(nèi)容的存儲(chǔ)：第一，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用條件遠(yuǎn)比計(jì)算機(jī)惡劣，電源電壓的不穩(wěn)定以及突發(fā)性斷電將對(duì)Flash的存儲(chǔ)造成災(zāi)難性的影響，通用文件系統(tǒng)對(duì)于可靠性的設(shè)計(jì)考慮不足；第二，通用文件系統(tǒng)是針對(duì)系統(tǒng)資源非常豐富的計(jì)算機(jī)平臺(tái)并基于速度較慢的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，它們常常大量使用緩存技術(shù)，如注重文件系統(tǒng)的速度特性，要耗費(fèi)比較多的系統(tǒng)資源。這與嵌入式系統(tǒng)中系統(tǒng)資源十分有限，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器又相對(duì)于磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器較快的應(yīng)用情況不用；第三，嵌入式系統(tǒng)中存儲(chǔ)于Flash上的內(nèi)容很多是多媒體數(shù)據(jù)資料，這些數(shù)據(jù)內(nèi)容往往雞一定程度的誤碼損傷，未必需要如通用文件系統(tǒng)那樣嚴(yán)格保證存儲(chǔ)的正確性。通過(guò)靈活的校驗(yàn)機(jī)制與壞損管理，達(dá)到更優(yōu)化的存儲(chǔ)速度與更高效的存儲(chǔ)空間利用，這對(duì)成本敏感的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其具有幫助。
基于上述考慮，設(shè)計(jì)了一個(gè)適合嵌入式多媒體應(yīng)用的Flash文件系統(tǒng)。它不僅支持文件代號(hào)管理、文件指針存取以及應(yīng)用透明的自動(dòng)壞損管理這些通用文件系統(tǒng)所具有的功能，并且在文件系統(tǒng)的可靠性以及文件系統(tǒng)的額外資源消耗方面進(jìn)行了改善；此外還引入了基于存儲(chǔ)內(nèi)容自適應(yīng)的壞損管理策略，從而使該Flash文件系統(tǒng)更加適合嵌入式多媒體應(yīng)用。
1 Flash存儲(chǔ)器的操作特點(diǎn)
Flash存儲(chǔ)器在讀取方面與普通的SRAM存儲(chǔ)器類似，一般可以實(shí)現(xiàn)完全隨機(jī)的讀取。Flash存儲(chǔ)器最大的不同在于寫(xiě)操作方面。Flash存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作需要經(jīng)過(guò)“擦除—寫(xiě)入”兩個(gè)操作過(guò)程。當(dāng)希望對(duì)Flash存儲(chǔ)器的某一個(gè)單元進(jìn)行寫(xiě)入時(shí)，首先必須對(duì)這個(gè)存儲(chǔ)單元所在的區(qū)塊（Block）執(zhí)行擦除操作，擦除操作成功完成后，整個(gè)區(qū)塊的數(shù)據(jù)內(nèi)容都被清空（一般被設(shè)置成0xFF）；然后對(duì)目的單元所在的頁(yè)面（Page）執(zhí)行寫(xiě)入操作，需要一次寫(xiě)入整個(gè)頁(yè)面的全部數(shù)據(jù)內(nèi)容（也有一次Flash存儲(chǔ)器支持部分頁(yè)的寫(xiě)入，這樣可以分多次寫(xiě)完一個(gè)頁(yè)面，但是一旦寫(xiě)過(guò)的存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)就不能再被更改），操作成功后要進(jìn)行數(shù)據(jù)正確性的校驗(yàn)。
一個(gè)區(qū)域（Block）包含一個(gè)或多個(gè)頁(yè)面（Page），一個(gè)頁(yè)面包含多個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元（字節(jié)或字）。
為了增強(qiáng)所設(shè)計(jì)Flash文件系統(tǒng)在不同F(xiàn)lash存儲(chǔ)器上的移植能力，選取了3個(gè)最基本的操作作為本Flash文件系統(tǒng)與Flash存儲(chǔ)器設(shè)備的應(yīng)用接口：區(qū)塊擦除（Block_Erase）、頁(yè)面寫(xiě)入（Page_Write）、頁(yè)面讀出（Page_Read）。這樣雖然可能會(huì)忽略某些Flash存儲(chǔ)器產(chǎn)品的獨(dú)有特性，但卻增加了所設(shè)計(jì)的Flash文件系統(tǒng)對(duì)同F(xiàn)lash存儲(chǔ)器產(chǎn)生的適應(yīng)能力。另外，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器寫(xiě)入的時(shí)間瓶不在于數(shù)據(jù)傳遞，而是Flash存儲(chǔ)器內(nèi)部的擦除和寫(xiě)操作等；Flash存儲(chǔ)器讀出的速度和微處理器處理數(shù)據(jù)的速度都很快，因此雖然將讀和寫(xiě)的基本單位擴(kuò)大到了頁(yè)面，但額外增加的操作時(shí)間是很短的。
2 Flash文件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
本Flash文件系統(tǒng)在基本結(jié)構(gòu)上與MS-DOS的FAT文件系統(tǒng)類似[3]。MS-DOS是一個(gè)應(yīng)用于幾十年的商業(yè)化軟件產(chǎn)品，其FAT文件系統(tǒng)技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)資源開(kāi)銷(xiāo)小，易于在嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。本Flash文件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)文件系統(tǒng)包括如下幾個(gè)部分：
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（1）系統(tǒng)記錄（SR，System Record）存放媒質(zhì)信息和最重要的文件系統(tǒng)信息。媒質(zhì)信息諸如Flash存儲(chǔ)器的類型、容量，劃分成多少個(gè)區(qū)塊，每區(qū)塊包含多少個(gè)頁(yè)面等。文件系統(tǒng)信息包括版本信息、保留區(qū)塊的數(shù)目和位置、文件分配表和文件登記表所在的位置和大小、數(shù)據(jù)區(qū)域的位置和大小等。
（2）文件分配表（FAT，F(xiàn)ile Allocation Table）存放著Flash存儲(chǔ)器上所有區(qū)塊的占用與空閑情況以及每個(gè)文件的存儲(chǔ)連接結(jié)構(gòu)。MS-DOS FAT文件系統(tǒng)中有12位、16位、32位三種不同的FAT格式。考慮到在微處理器上實(shí)現(xiàn)的方便性并權(quán)衡Flash文件系統(tǒng)應(yīng)用的規(guī)模，選擇將文件分配表固定為16位的格式。
（3）文件登記表（FRT，F(xiàn)ile Register Table）存放著Flash文件系統(tǒng)中每一個(gè)文件的文件代號(hào)、文件長(zhǎng)度、文件屬性以及該文件的存儲(chǔ)鏈在文件分配表中的入口�？紤]到嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，本Flash文件系統(tǒng)不支持子目標(biāo)結(jié)構(gòu)。
（4）數(shù)據(jù)區(qū)域（Data Area）用于存放文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容。本Flash文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分配的最小單位是Flash存儲(chǔ)器的一個(gè)基本擦除單元，即一個(gè)物理區(qū)塊（Block）。
本Flash文件系統(tǒng)提供：文件系統(tǒng)的格式化（Format）、文件的創(chuàng)建（Create）、刪除（Delete）、打開(kāi)（Open）、關(guān)閉（Close）、讀（Read）、寫(xiě)（Write）、文件指針的移動(dòng)（Seek）、位置讀�。═ell）等基本的功能。程序主體代碼ANSI C語(yǔ)言寫(xiě)成，使用一個(gè)非常小的Flash存儲(chǔ)器設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，擴(kuò)展及移植的能力都比較好。
3 提高Flash文件系統(tǒng)的可靠性
在MS-DOS的FAT文件系統(tǒng)中，僅僅對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)域提供壞損管理，而對(duì)于它的主引導(dǎo)記錄、文件分配表和根目錄這三個(gè)極重要的文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)卻未做任何保護(hù)（雖然MS-DOS的FAT文件系統(tǒng)中存在著兩張F(tuán)AT表，但是DOS只是簡(jiǎn)單地復(fù)寫(xiě)第二張F(tuán)AT表而從不使用它）。一旦這三個(gè)區(qū)域的內(nèi)容出現(xiàn)一點(diǎn)失效，將必然導(dǎo)致文件數(shù)據(jù)的大量損失。另外，如果這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)區(qū)域發(fā)生物理性損壞，更會(huì)導(dǎo)致整張磁盤(pán)的報(bào)廢。這在由Flash存儲(chǔ)器占據(jù)很大成本比重的嵌入式應(yīng)用中，是非常不希望的。
歸結(jié)起來(lái)，嵌入式系統(tǒng)中的Flash存儲(chǔ)器主要面臨兩大類不穩(wěn)定因素：一是Flash存儲(chǔ)器本身可能出現(xiàn)物理性的損壞；二是嵌入式系統(tǒng)面對(duì)較多的突發(fā)掉電與重啟動(dòng)，造成Flash存儲(chǔ)器寫(xiě)操作的異常終止。
針對(duì)Flash存儲(chǔ)器的物理?yè)p霈問(wèn)題，除對(duì)文件數(shù)據(jù)區(qū)域提供壞損管理外，還將系統(tǒng)記錄、文件分配表和文件登記表這三個(gè)文件系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用浮動(dòng)位置的方法存儲(chǔ)。即不僅對(duì)文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分配管理，對(duì)于Flash文件系統(tǒng)中這三個(gè)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不固定其存儲(chǔ)位置。這樣可以避免因它們的存儲(chǔ)區(qū)域發(fā)生物理?yè)p壞造成整個(gè)文件系統(tǒng)失效。具體做法是：對(duì)于系統(tǒng)記錄定義一個(gè)系統(tǒng)記錄保留區(qū)，將系統(tǒng)記錄存在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，確切的位置在文件系統(tǒng)初始的時(shí)候通過(guò)標(biāo)識(shí)幻數(shù)（Magic Number）的方法掃描找到；而文件分配表和文件登記表則存放在文件數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)系統(tǒng)記錄中的索引項(xiàng)找到。
針對(duì)Flash存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作異常終止問(wèn)題，將6系統(tǒng)記錄、文件分配表和文件登記表這三個(gè)對(duì)Flash文件系統(tǒng)最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均進(jìn)行雙份的存儲(chǔ)改善其安全性。在文件系統(tǒng)的操作中，程序?qū)γ恳粋�(gè)表結(jié)構(gòu)的兩個(gè)備份進(jìn)行順次修改，以此確保Flash存儲(chǔ)器上總是存有一整套完好的系統(tǒng)記錄表、文件分配表和文件登記表。在系統(tǒng)被啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，文件系統(tǒng)會(huì)首先進(jìn)行自檢，通過(guò)這三個(gè)表結(jié)構(gòu)中的標(biāo)識(shí)幻數(shù)，以及最開(kāi)關(guān)和最末尾的更新序列號(hào)可以確定每一張表備份的合法性和時(shí)效性，判斷出前次系統(tǒng)關(guān)閉中存在著的操作異常終止并及時(shí)更正。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，即使文件系統(tǒng)大使用中出現(xiàn)了寫(xiě)操作異常終止的情況，錯(cuò)誤將只涉及當(dāng)時(shí)被操作的文件數(shù)據(jù)，不會(huì)擴(kuò)散給Flash文件系統(tǒng)中的其它文件，更不會(huì)因此損壞三個(gè)文件系統(tǒng)表結(jié)構(gòu)，造成整個(gè)文件系統(tǒng)的徹底癱瘓。
通過(guò)以上兩個(gè)方面的改進(jìn)，本Flash文件系統(tǒng)的可靠性比于MS-DOS FAT文件系統(tǒng)有了很大的提高。從實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的仿真結(jié)構(gòu)可以看到，即使在Flash極不可靠和寫(xiě)操作異常防止頻發(fā)的最惡劣工作條件下，本Flash文件系統(tǒng)也能夠保持可靠工作，從而使之能夠適合于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。
實(shí)驗(yàn)1 高壞損率狀況下本Flash文件系統(tǒng)的可靠工作
實(shí)驗(yàn)條件
Flash存儲(chǔ)器規(guī)格：16 KB/Block×1024Block，設(shè)定Flash頁(yè)面的寫(xiě)入壞損概率為1%，對(duì)單一文件重復(fù)進(jìn)行（打開(kāi)文件，寫(xiě)入1KB數(shù)據(jù)，關(guān)閉文件）10000次操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果
完成后文件總長(zhǎng)度 10,240,000 Bytes 被文件數(shù)據(jù)占用的Flash空間 625 Blocks 損壞塊占據(jù)的Flash空間 342 Blocks FAT和FRT被操作的次數(shù) 11583次 SR被操作的次數(shù) 223次 同條條件MS-DOS FAT文件系統(tǒng)仍能保持工作的概率（即其主引導(dǎo)記錄、文件分配表、根目錄區(qū)域無(wú)物損壞的概率） 2.9E-52實(shí)驗(yàn)2 頻繁寫(xiě)操作異常終止?fàn)顩r下本Flash文件系統(tǒng)的可靠工作
實(shí)驗(yàn)條件 Flash存儲(chǔ)器規(guī)格：16 KB/Block×1024Block，預(yù)先存儲(chǔ)5個(gè)文件，文件長(zhǎng)度分別為k×100KB(k=1..5)，模擬寫(xiě)操作進(jìn)行當(dāng)中，發(fā)生系統(tǒng)掉電類事故，造成寫(xiě)操作異常中止。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 100次 導(dǎo)致SR、FAT或FRT出錯(cuò)的次數(shù) 71次 Flash文件系統(tǒng)啟動(dòng)自檢時(shí)發(fā)現(xiàn)并更正文件系統(tǒng)錯(cuò)誤的次數(shù) 71次 Flash上已有的5個(gè)文件受損的次數(shù) 0文件×0次4 降低Flash文件系統(tǒng)的資源消耗
嵌入式系統(tǒng)相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)講，往往有荷刻得多的成本要求，需要嵌入式系統(tǒng)盡可能低的系統(tǒng)資源配置。尤其對(duì)于Flash文件系統(tǒng)這種用于增強(qiáng)系統(tǒng)功能的服務(wù)性質(zhì)模塊，就更需要降低對(duì)系統(tǒng)資源的消耗，才能夠擴(kuò)大其使用的范圍。
就Flash文件系統(tǒng)的資源消耗來(lái)講，主要包括程序代碼開(kāi)銷(xiāo)、處理器占用時(shí)間、運(yùn)行時(shí)內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)以及額外的Flash存儲(chǔ)器消耗。其中，運(yùn)行時(shí)內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)最限制Flash文件系統(tǒng)的應(yīng)用，同時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的改善與運(yùn)行時(shí)內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)直接相關(guān)。所以針對(duì)資源消耗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要著重于降低運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)。
Flash存儲(chǔ)器的擦除單位是區(qū)塊（Block），這是本Flash文件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分配的最小單元。如果不采用任何措施的話，運(yùn)行時(shí)內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)中將至少包括備份一個(gè)完整區(qū)塊數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。但一個(gè)Flash存儲(chǔ)器的區(qū)塊可能很大（Sumsung[TM]KM29U128是16KB），這在很多嵌入系統(tǒng)中都是過(guò)大的資源開(kāi)銷(xiāo)（最通用的8位微處理器MCS-51系列，總線尋址的能力只有64KB），必須進(jìn)行改進(jìn)。
為此，采用交換緩沖區(qū)（Swap Buffer）技術(shù)來(lái)解決這個(gè)困難。當(dāng)需要準(zhǔn)備某一個(gè)區(qū)塊的數(shù)據(jù)時(shí)，并不直接向該區(qū)塊寫(xiě)入，而是首先擦除用于做交換緩沖區(qū)的區(qū)塊，然后逐步向交換緩沖區(qū)填入目的數(shù)據(jù)內(nèi)容。因?yàn)榇藭r(shí)，任何有用數(shù)據(jù)內(nèi)容都未被破壞，所以運(yùn)行內(nèi)存中的緩沖就可以做得比較小。當(dāng)交換緩沖區(qū)填寫(xiě)完成后，再擦除目的區(qū)塊，拷貝交換緩沖區(qū)內(nèi)容到目的區(qū)塊。
采用交換緩沖區(qū)后，對(duì)內(nèi)存中的緩沖區(qū)大小沒(méi)有特別要求，考慮到Flash存儲(chǔ)器的操作特性，選取Flash存儲(chǔ)器的頁(yè)面（Page）容量作為內(nèi)存緩沖區(qū)大小。在結(jié)構(gòu)上作了上述改進(jìn)后，雖然大大降低了Flash文件系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存消耗，但代價(jià)是將一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊的寫(xiě)入時(shí)間延長(zhǎng)了一倍。不過(guò)一般的Flash存儲(chǔ)器中都有一特點(diǎn)制作的區(qū)塊，該區(qū)域保證不會(huì)損壞，正好適用做交換緩沖區(qū)。這樣就可以省去中間交換緩沖過(guò)程的數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)，加快寫(xiě)操作的速度。
表1給出了在與MCS-51兼容的微處理器上本Flash文件系統(tǒng)實(shí)例，對(duì)Sumsung KM29U128 Flash存儲(chǔ)器（16KB/Block×1024Block）[4]進(jìn)行管理應(yīng)用中的系統(tǒng)資源開(kāi)銷(xiāo)。地于一般的成本要求來(lái)講，是可以接受的。
表1 一個(gè)應(yīng)用實(shí)例中本Flash文件系統(tǒng)的系統(tǒng)資源開(kāi)銷(xiāo)
5 基于存儲(chǔ)內(nèi)容的自適應(yīng)環(huán)境管理策略
嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用Flash存儲(chǔ)器，與多媒體相關(guān)的應(yīng)用占據(jù)相當(dāng)?shù)谋壤�，如�?shù)碼相機(jī)、語(yǔ)音監(jiān)錄、MP3播放器等。存儲(chǔ)在Flash上的內(nèi)容多數(shù)是多媒體數(shù)據(jù)流，這種應(yīng)用相對(duì)于普通文件系統(tǒng)的單純數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有其自己的數(shù)據(jù)特點(diǎn)。據(jù)此在本Flash文件系統(tǒng)上提了出了基于存儲(chǔ)內(nèi)容的自適應(yīng)壞損管理策略。
Flash存儲(chǔ)器上存儲(chǔ)的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)文件和多媒體數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)文件對(duì)于數(shù)據(jù)完整性要求很?chē)?yán)格，不允許存儲(chǔ)中出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。但多媒體數(shù)據(jù)流則不同，很多種多媒體數(shù)據(jù)流允許一定情況下傳輸差錯(cuò)，一些甚至允許傳輸差錯(cuò)很?chē)?yán)重，如CVSD編碼的語(yǔ)音。而Flash存儲(chǔ)器的區(qū)塊發(fā)生物理?yè)p壞時(shí)，經(jīng)常是只有幾個(gè)bit出現(xiàn)錯(cuò)誤，其它部分卻是完好的。綜合考慮這兩個(gè)方面的因素，就可以對(duì)不同內(nèi)容的數(shù)據(jù)流賦予不同的數(shù)據(jù)完整性要求。這樣一方面充分發(fā)揮了Flash存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)能力，另一方面也可以降低弱數(shù)據(jù)完整性要求的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)強(qiáng)度，提高數(shù)據(jù)寫(xiě)入速度。
在本Flash文件系統(tǒng)中，把不同數(shù)據(jù)內(nèi)容對(duì)于數(shù)據(jù)完整性的要求分成一個(gè)組別：0、1和2級(jí)。其中，0級(jí)的數(shù)據(jù)完整性最高，不允許在存儲(chǔ)中出現(xiàn)任何差錯(cuò)， 用于數(shù)據(jù)型的好。2級(jí)的數(shù)據(jù)完整性要求最低，允許出現(xiàn)較多的差錯(cuò)，用于抗差錯(cuò)性強(qiáng)的多媒體碼流。相應(yīng)地，對(duì)于Flash存儲(chǔ)器的每個(gè)可用區(qū)塊，也按照其物理?yè)p壞的程度分成對(duì)應(yīng)的三個(gè)級(jí)別：0級(jí)的區(qū)塊所有的存儲(chǔ)單元都完好；2級(jí)的區(qū)域則存在著比較多的損壞位；損壞程度超過(guò)2級(jí)允許的區(qū)塊成為徹底損壞塊，不能再使用。存儲(chǔ)的原則為：對(duì)于特定的存儲(chǔ)內(nèi)容用損壞級(jí)別不超過(guò)其數(shù)據(jù)完整性要求級(jí)別的Flash區(qū)塊存儲(chǔ)。
同時(shí)，在存儲(chǔ)不同數(shù)據(jù)完整性要求的內(nèi)容時(shí)，采用不同強(qiáng)度的差錯(cuò)校驗(yàn)。存儲(chǔ)0級(jí)內(nèi)容時(shí)，每一次寫(xiě)入都進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)，存儲(chǔ)1級(jí)和2級(jí)內(nèi)容時(shí)，以1/N的概率進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)。差錯(cuò)校驗(yàn)的結(jié)果更新該物理存儲(chǔ)區(qū)塊的損壞級(jí)別，但是損壞級(jí)別只升不降。最初的損壞級(jí)別在格式化并建立文件系統(tǒng)時(shí)設(shè)定。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)3的結(jié)果可以看到，采用存儲(chǔ)內(nèi)容自適應(yīng)的壞損管理策略后，對(duì)于可容錯(cuò)的多媒體碼流，存儲(chǔ)效率和存儲(chǔ)速度都可以得到明顯提高。并且，設(shè)定合適的校驗(yàn)概率所發(fā)生的漏檢率是很低的。
實(shí)驗(yàn)3 內(nèi)容自適應(yīng)的壞損管理策略對(duì)多媒體數(shù)據(jù)流的應(yīng)用效果
實(shí)驗(yàn)條件
Flash存儲(chǔ)器規(guī)格：16KB/Block×1024Block。0級(jí)塊，不允許出現(xiàn)損壞，每次寫(xiě)入都進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)應(yīng)理想存儲(chǔ)媒質(zhì)；
1級(jí)塊，允許1～2 bits損壞，以1/4概率校驗(yàn)，對(duì)應(yīng)3.8E-6差錯(cuò)率；
2級(jí)塊，允許3～8 bits損壞，以1/32概率校驗(yàn)，對(duì)應(yīng)6.1E-5差錯(cuò)率。
設(shè)定Flash頁(yè)面的寫(xiě)入以1%概率損壞1個(gè)bit，對(duì)單一文件重復(fù)進(jìn)行
{打開(kāi)文件，寫(xiě)入1KB數(shù)據(jù)，關(guān)閉文件}的操作10000次。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
存儲(chǔ)0級(jí)數(shù)據(jù)（純數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)） 存儲(chǔ)1級(jí)數(shù)據(jù)（低容錯(cuò)多媒體業(yè)務(wù)） 存儲(chǔ)2級(jí)數(shù)據(jù)（高容錯(cuò)多媒體業(yè)務(wù)） 被文件數(shù)據(jù)占用Flash空間 0級(jí)Blocks 625 0級(jí)Blocks 5471級(jí)Blocks 78 0級(jí) Blocks 616
1級(jí) Blocks 8
2級(jí) Blocks 1 無(wú)法于使用的Flash空間 348 Blocks 6Blocks 0 Blocks 對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行的寫(xiě)入校驗(yàn)次數(shù) 10000次 2564次 320次 數(shù)據(jù)寫(xiě)入了未達(dá)要求的存儲(chǔ)塊，而檢驗(yàn)漏過(guò)檢出的次數(shù) 0次 1次 0次
針對(duì)嵌入式多媒體應(yīng)用中大量數(shù)據(jù)在Flash上存儲(chǔ)的管理問(wèn)題，文件系統(tǒng)是一種比較全面優(yōu)秀的解決方案。本文對(duì)嵌入式多媒體應(yīng)用中Flash文件系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)與關(guān)鍵設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)適宜于嵌入式多媒體應(yīng)用的Flash文件系。其主要特點(diǎn)包括：
（1）完全支持文件代號(hào)管理、文件指針存取以及對(duì)應(yīng)用透明的自動(dòng)壞損管理這些通用文件系統(tǒng)所具有的功能。
（2）針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)改進(jìn)了本Flash文件系統(tǒng)的可靠性，使其可以工作在很惡劣的條件下。
（3）針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的成本與系統(tǒng)資源限制，改進(jìn)降低了本Flash文件系統(tǒng)的系統(tǒng)資源開(kāi)銷(xiāo)，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。
（4）針對(duì)多媒體應(yīng)用的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出了基于存儲(chǔ)內(nèi)容自適應(yīng)的壞損管理策略，提高了在多媒體應(yīng)用中的存儲(chǔ)效率與存儲(chǔ)速度。
最終設(shè)計(jì)的Flash文件系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖2。
通過(guò)仿真分析，本Flash文件系統(tǒng)相對(duì)類似MS-DOS FAT的基礎(chǔ)系統(tǒng)，在可靠性、系統(tǒng)資源開(kāi)銷(xiāo)等方面的性能提高是可觀的，對(duì)于多媒體數(shù)據(jù)流在Flash存儲(chǔ)器資源有效利用和改善存儲(chǔ)性能等方面，也有明顯的改善。因此，本Flash文件系統(tǒng)很適合于嵌入式多媒體應(yīng)用。
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