[摘要]：本文以TRI公司的基于NOR Flash的Flash管理软件FMM为例，详细介绍嵌入式系统中如何根据Flash的物理特性来进行Flash存储管理，并比较与不采用FMM的Flash在性能上的优劣。 

      关键词：嵌入式系统 Flash FMM

      引言

      Flash存储器是一种安全、快速的存储体，具有体积小、容量大、成本低、掉电数据不丢失等一系列优点。目前已经逐步取代其它半导体存储元件，成为嵌入式系统中主要数据和程序载体。 作为嵌入式系统存储和管理数据的功能单位，Flash存储管理的主要功能是针对Flash自身的物理特性，利用一些特定的算法来提高Flash的使用效率，加快操作速度和管理Flash各单元的使用频率。在线商城

      1. FMM子系统结构介绍:

      FLASH存储管理一般位于文件系统之下，FLASH底层驱动之上，当不存在文件系统时，可以由应用程序直接使用。

      FMM以扇区为基本管理单元，FMM上层（为应用程序或者为文件系统）只能看到逻辑扇区。逻辑扇区的总个数为FLASH可分配的虚拟扇区个数，编号从0开始。一个2M的FLASH，如果虚拟扇区大小为516字节，则支持的虚拟扇区个数为4064个，逻辑扇区从0～4063编号。物理扇区是指从FLASH的物理地址开始的扇区编号，每隔一个虚拟扇区大小，编号加1。

      由于Flash不能像普通磁盘那样进行字节的修改，甚至不能以扇区为单位进行修改；而只能以块为单位进行修改；但如果只是简单将物理扇区和逻辑扇区一一对应，那么如果我们想对扇区修改就必须将整个块的内容都擦除，然后再将修改后的内容回写；势必会造成时间和Flash寿命的损失。因此，建立一个物理扇区号和逻辑扇区号的空间映射表，使逻辑扇区与物理扇区号进行动态的匹配。这样，在修改某个扇区的内容时只要将数据写入一个新的扇区，然后将原扇区标记为DIRTY就可以了。这样，还可以消除频繁修改某个扇区带来的寿命不均的影响。

      映射表是建立在内存中的项数为M（扇区总数）的数组，每项占用2字节，用于存放对应的物理扇区号。当某项为空（NULL，用0xffff表示）时，认为该逻辑扇区空闲，未使用。

      为了实现以扇区为基础的数据管理，FMM首先对Flash中的块内存储空间逻辑上进行了重新定义，每个物理块内部又重新划分成了若干物理扇区。每个物理块内部又重新划分成了若干物理扇区。每个物理扇区由512+4字节=516（0x204）字节组成。512字节为有效数据空间，另外4字节（32位）用于存放逻辑扇区另和当前状态。定义如下：

      扇区状态  逻辑扇区号  数字空间
      4位         28位          512字节

      扇区状态有4种，用于进行掉电数据恢复：FREE—空扇区（0xF）；INVALID—扇区数据无效（0xE）；INUSE—扇区数据有效（0xC）；DIRTY—扇区数据无用，可擦除（0x8）。

      一个物理块为一个基本擦除单位，从0开始编号。其内部包含n个扇区和一个标记。标记指示了下一个被整理的块，如果无下一个被整理的块则标记为0xffffffff。以64K大小的块为例，可以计算出每个块中可以划分出127个扇区；另外，还会有4字节的空间，专门用于标志下一个被整理块。标记为0x80808080，否则为0xffffffff。因此可以得出：

      物理扇区和绝对地址之间的对应关系：绝对地址=Flash基地址+物理扇区号×0x204+所在块号×4。块号与绝对地址之间的关系：绝对地址=Flash基地址+所在块号×64×1024。

      FMM中将扇区分为ID扇区和数据扇区两类。FMM会占用N个扇区作为标识ID（Identification）扇区，占用逻辑扇区号0～N。这一部分扇区是上层应用不能使用的，是FMM用于管理所占用的存储空间。因此上层应用所管理的逻辑扇区号必须从N+1开始。N的取值与坏扇区表的大小有关，每个FMM管理的物理扇区占用表中的1位。在每次存储数据时，可以通过查询表中的相应位来确定该扇区的有效性。III

      ID扇区主要包含如下数据：FMM版本号（2字节）、格式化次数FormatCount（2字节）、用户标识（4个字节）物理坏扇区表。目前我们N定义为1，则坏扇区表占用508字节，支持最大4064个坏物理扇区。

      2. FMM的功能划分:

      按功能，可以将FMM分解为4个基本模块：格式化模块、初始化模块、存取模块和空间整理模块。以下简单介绍各模块的操作流程。

      (1). 格式化模块

      对数据空间进行初级格式化，建立ID扇区。该模块在第一次使用数据盘之前调用，相当于低级格式化,提供接口FMMFormat（）参数：FFM版本号，用户标识。

      其流程如下:格式化开始后，首先调用FMM初始化模块，将Block0标志设置为0x80，下一个被整理的Block，也是第一个非空Block。然后收集信息，创建ID扇区，最后在内存中创建空间映射表。

      (2). 初始化模块

      该模块在文件系统初始化之前调用，用于初始化FMM系统，其接口FMMInit（）。

      其流程是：初始化开始以后，首先从内存池中为ID扇区申请内存，然后从内存池中为空间映射表申请内存，最后在内存中创建空间映射表。

      该模块提供空间映射表创建接口FMMMapTableCreate（）。III

      创建空间映射表流程如下：首先清空内存中为映射表和ID扇区申请的空间，将Flash中的ID扇区内容读入内存中，然后扫描整个物理空间，依次读入每个物理扇区的状态和逻辑扇区号，将状态为INUSE的逻辑扇区号装入空间映射表的对应位置，并记录INUSE和DIRTY扇区的数目；最后修复扫描中发现的DAVLID扇区数据。

      该模块提供数据无效扇区修复接口FMMInvalidSectorRepair（）。

      数据无效扇区修复过程如下：

      （3）存取模块：

      该模块是FMM与文件系统的接口，可以分为读和写两部分：

      FMMRead（）用户输入逻辑扇区号，扇区内偏移量，输出缓冲区，读长度。其流程比较简单：读数据开始以后，首先根据所要读取的逻辑扇区号，查表找出其对应的物理扇区号；然后根据物理扇区号计算出物理地址，最后读出该扇区数据。

      FMMWrite（）用户输入逻辑扇区号，扇区内偏移量，输入缓冲区，写长度。写流程如图：

写扇区流程图

      （4）空间整理模块：

      当磁盘空间不足时，对dirty扇区进行整理。其接口为FMMDefragment（）用户提供空间整理的物理块号。

      其流程是：第一步：空间整理从物理块A开始，从A开始扫描后续块的标志字，找出被整理的块B；第二步：将块B所有状态为Inuse的扇区依次写入空扇区；第三步：标记B+1块标记为下一个被整理的块，如果A+1等于FLASH的最后一个块，将0块设置为被整理块；第四步：擦除块B；第五步：判断下一个被整理块是否为A？如果是，转到第六步；如果不是，转到第二步；第六步：将扇区中的擦除次数加1，结束。

      3. FMM的性能结论:

      通过FMM与Flash从读写速度和可用空间进行比较，我们得出以下结论：III

      读出速度：读取速度基本与Flash的读速度相同。

      写入速度：写入操作速度与Flash的写入速度基本相同。

      整理速度：空间整理上由于算法的限制会耗费很长的时间，最好挑选除速度较快的Flash来进行配合使用；或者可以采用其它的算法来进行空间整理，但会使寿命均衡有所减弱，必须根据具体的应用来选取适合的方案组合才能达到最好的效果。

      文件系统可用空间：由于FMM占用了一部分空间，因此实际文件系统可用空间小于Flash的实际物理空间。文件系统可用空间=Flash总空间-ID扇区空间-1个用于整理的保留块空间。

      4．本文创新点：

      通过运用FMM实现对Flash管理，从性能上与Flash相差无几，却提高Flash的使用效率，加快操作速度和管理Flash各单元的使用频率，具有很高的应用价值。