1、uClinux平臺下的Flash存儲技術摘要：較為詳細地介紹嵌入式操作系統uClinux平臺下的Flash存儲技術，并給出基于三星S3C4510系統下Dlash存儲器具體設計實例。     關鍵詞：Flash存儲技術 uClinux平臺 S3C45101 Flash類型與技術特點Flash主要分為NOR和NAND兩類。下面對二者作較為詳細的比較。1.1 性能比較Flash閃存是非易失存儲器，可以對存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何Flash器件進行寫入操作前必須先執行擦除。NAND器件執行擦除操作十分簡單；而NOR則要求在進行擦除前，先要將目標塊內所有的位都寫為0

2、。擦除NOR器件時是以64128KB的塊進行的，執行一個寫入/擦除操作的時間為15s；擦除NAND器件是以832KB的塊進行的，執行相同的操作最多只需要4ms。執行擦除時，塊尺寸的不同近一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距。統計表明，對于給定的一套寫入操作（尤其是更新小文件時），更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。因此，當選擇存儲解決方案時，設計師必須權衡以下的各項因素。*NOR的讀取速度比NAND稍快一些。*NAND的寫入速度比NOR快很多。*NAND的擦除速度遠比NOR快。*大多數寫入操作需要先進行擦除操作。*NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。1.2 接口差別NOR

3、Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內容的每一字節。NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數據，各個產品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數據信息。NAND的讀和寫操作采用512字節的塊，這一點有點像硬盤管理此類操作。很自然地，基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其它塊設備。1.3 容量和成本NAND Flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半。由于生產過程更為簡單，NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量，也就相應地降低了價格。NOR Flash占據了大部分容量為116MB的內存市場，而NAND Flash只是用在8128MB

4、的產品當中。1.4 可靠性和耐用性采用Flash介質時，一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統來說，Flash是非常合適的存儲方案。可以從壽命（耐用性）、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。（1）壽命（耐用性）在NAND閃存中，每個塊的最大擦寫次數是100萬次，而NOR的擦寫次數是10萬次。NAND存儲器除了具有10：1的塊擦除周期優勢外，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8位，每個NAND存儲器塊在給定時間閃的刪除次數要少一些。（2）位交換所有Flash器件都受位交換現象的困擾。在某些情況下（很少見，NAND發生的次數要比NOR多），一個比特位會發生

5、反轉或被報告反轉了。一位的變化可能不很明顯，但是如果發生在一個關鍵文件上，這個小小的故障就可能導致系統停機。如果只是報告有問題，多讀幾次就可能解決。位反轉的問題更多見于NAND閃存，NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候，同時使用EDC/ECC算法。當然，如果用本地存儲設備來存儲操作系統、配置文件或其它敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統以確保可靠性。（3）壞塊處理NAND器件中的不壞塊是隨機分布的。以前做過消除壞塊的努力，但發現成品率太低，代價太高，根本不劃算。NAND器件需要對介質進行初始化掃描以發現壞塊，并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進行這項處理。將

6、導致高故障率。1.5 易用性可以非常直接地使用基于NOR的閃存，像其它存儲器那樣連接，并可以在上面直接運行代碼。由于需要I/O接口，NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND器件時，必須先寫入驅動程序，才能繼續執行其它操作。向NAND器件寫入信息需要相當的技巧，因為設計師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。1.6 軟件支持在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持。在NAND器件上進行同樣操作時，通常需要驅動程序，也就是閃存技術驅動程序（MTD）。NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。使用NOR器件時，所需要的

7、MTD要相對少一些。許多廠商都提供用于NOR器件的更高級的軟件，其中包括M-System的TrueFFS驅動，該驅動被Wind River System、Microsoft、QNX Sotrware System、Symbian和Intel等廠商所采用。驅動還用于對DiskOnChip產品進行仿零點和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。目前，NOR Flash的容量從幾KB64MB不等，NAND Flash存儲芯片的容量從8MB128MB，而DiskonChip可以達到1024MB。2 系統設計Flash在每MB的存儲開銷上較RAM要昂貴，但對于uClinux系統來說，選擇Fla

8、sh作為存儲器具有一定的優勢。UClinux系統在上電后，需要運行的程序代碼和數據都可以存儲在Flash中，甚至放在CPU起始地址中的uClinux啟動內核都可以寫入Flash中。從一定意義上講，嵌入式系統只用Flash就可以完成所需的存儲功能。Flash存儲器的分區較硬盤的分區更為簡單，分區后的Flash使用起來更加方便。典型的Flash分區如下。SEGMENT PURPOSE0 Bootloader1 factory configuration2 kernelX root filesystemY分區0放置Bootloader，分區1放置factory configuration，分區2到分

9、區X放置系統內核，分區X到分區Y放置根文件系統。Flash的分區可以根據需要劃分，uClinux中支持Flash存儲器的塊設備驅動負責定義上述的分區。和PC機下的Linux不同，Flash的分區把系統內核文件和根文件系統單獨劃分到兩個分區中，而PC機的硬盤是把內核文件和根文件系統放在一個分區內。PC機下Linux的Bootloader是LILO或GRUB。它們在系統啟動時能智能地在分區中找到內核文件塊，并把它加載到RAM中運行。對于Flash而言，把內核的鏡像文件寫進一個單獨的分區對嵌入式系統有兩大優點：系統可以直接在Flash上運行；LILO或GRUB更易找到內核代碼并加載，甚至可以不用LI

10、LO或GRUB引導而直接運行。內核文件和根文件系統在Flash中的放置，可以根據系統設計需要適當選擇。3 引導程序選擇系統啟動之前的引導過程是CPU初始化的過程。包括ARM和X86在內的許多CPU是從固定地址單元開始運行引導程序（Bootloader）的。其它的部分CPU是從某個地址單元讀入引導程序的入口地址，然后再運行引導程序，譬如M68K和Coldfire系列。所以這些都影響到Flash中系統啟動代碼的存放地址。系統首先要考慮的是在什么地址存放Bootloader，或者說系統從哪個地址單元開始加載運行系統內核代碼。CPU啟動后直接運行系統內核是可以實現的。對于uClinux來說，啟動代碼必

11、須包括芯片的初始化和RAM的初始化等硬件配置；同時加載內核的代碼段到RAM中，并清除初始化的數據段內容。盡管這些實現起來很直觀，但是要具體把啟動代碼存放在Flash中正確的地址偏移單元內，使CPU一啟動便能執行就比較困難了。不過，現在技術比較先進的CPU都將默認的偏移地址設置為0，或者在偏移地址為0的附近存放起始地址。Bootloader是一段單獨的代碼，用以負責基本硬件的初始化過程，并且加載和運行uClinux的內核代碼。作為系統啟動工具，Bootloader經過配置可以加載Flash中的多個內核，甚至可以通過串口和網口來加載內核和系統的鏡像到RAM中運行。Bootloader同時也提供對內

12、核鏡像文件的多級別保護，這一點對于以Flash作為存儲設備的系統來說非常重要。譬如，當系統進行內核升級和重要數據備份時，系統突然掉電，正如PC機進行BIOS刷寫過程中的舊電一樣，都是災難性的。但是利用Bootloader就可以實現保護性的恢復。目前運行在uClinux上的免費Bootloader有COLILO、MRB、PPCBOOT和DBUG。也有為特殊需求設計的SNAPGEAR和ARCTURUS NETWORKS。4 uClinux的塊驅動器對于嵌入式系統的塊設備，可選擇存儲文件系統的塊驅動器（Block Driver）主要有三種選擇。Blkmem driver。Blkmem driver仍

13、是uClinux上使用最普通的Flash驅動器。它是為uClinux而設計的，但是它的結構相對比較簡單，并且僅支持NOR Flash的操作，需要在RAM中建立根文件系統。同時它也很難配置，需要代碼修改表來建立Flash分區。盡管如此，它還是提供了最基本的分區擦/寫操作。MTD driver。MTD driver是Linux下標準的Flash驅動器。它支持大多數Flash存儲設備，兼有功能強大的分區定義和映像工具。借用交叉存取技術（interleaving），MTD driver甚至可支持同一系統中不同類型的Flash，Linux內核中關于MTD driver配置有較為詳細的選擇項。RAM di

14、sk driver。在無盤啟動的標準Linux中，用得最多的就是RAM disk driver；但它不支持底層的Flash存儲器，僅對根文件系統的建立有意義，即根文件系統壓縮以后存放在Flash的什么地方。通過上面的比較可以看到，MTD driver提供對Flash最有力的支持同，同時它也支持在Flash上直接運行文件系統，譬如JFFS和JFFS2，而B1kmem driver則不支持。5 根文件系統uClinux中的文件系統可以有多種選擇。通常情況下，ROMfs是使用最多的文件系統，它是一種簡單、緊湊和只讀的文件系統。ROMfs順序存儲文件數據，并可以在uClinux支持的存儲設備上直接運行

15、文件系統，這樣可以在系統運行時節省許多RAM空間。Cramfs是針對Linux內核2.4之后的版本所設計的一種新型文件系統，也是壓縮和只讀格式的。它主要的優點是將文件數據以壓縮形式存儲，在需要運行的時候進行解壓縮。由于它存儲的文件形式是壓縮的格式，所以文件系統不能直接在Flash上運行。雖然這樣可以節約很多Flash存儲空間，但是文件系統運行需要將大量的數據拷貝進RAM中，消耗了RAM空間。考慮到多數系統需要能夠讀/寫的文件系統，可以使用MTD driver的JFFS和JFFS2日志式文件在Flash頭部建立根文件系統（Root Filesystem）。日志式文件系統可以免受系統突然掉電的危險

16、，并且在下一次系統引導時不需要文件系統的檢查。由于JFFS和JFFS2文件格式是特別為Flash存儲器設計的，二者都具一種稱為“損耗平衡”的特點，也就是說Flash的所有被擦寫的單元都保持相同的擦寫次數。利用這些特有保護措施，Flash的使用周期得到相當大的提升。JFFS2使用壓縮的文件格式，為Flash節省了大量的存儲空間，它更優于JFFS格式在系統中使用。值得注意的是，使用JFFS2格式可能帶來少量的Flash空間的浪費，這主要是由于日志文件的過度開銷和用于回收系統的無用存儲單元，浪費的空間大小約是兩個數據段。如果使用RAM disk，一般應選擇EXT2文件格式，但EXT2并不是一塊特別高效的文件存儲空間。由于存在RAM disk上，所以任何改變在下一次啟動后都會丟失。當然，也有