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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 S3C4510
1 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。擦除NOR器件時是以64～128KB的塊進行的，執行一個寫入/擦除操作的時間為1～5s；擦除NAND器件是以8～32KB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 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1～16MB的內存市場，而NAND Flash只是用在8～128MB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KB～64MB不等，NAND Flash存儲芯片的容量從8MB～128MB，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Flash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 PURPOSE
0 Bootloader
1 factory configuration
2
┆ kernel
X
┆ root filesystem
Y
分區0放置Bootloader，分區1放置factory configuration，分區2到分區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：①系統可以直接在Flash上運行；②LILO或GRUB更易找到內核代碼并加載，甚至可以不用LILO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。
①Blkmem driver。Blkmem driver仍是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。
②MTD 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。
③RAM disk 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，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，也有許多人認為對嵌入式存儲空間來講，這是一種優勢，因為每次系統啟動都是從已知的文件系統狀態開始的。
雖然在Linux下有許多的文件格式可供選擇，但是對于uClinux一般只選擇上述的幾種文件格式。另外一點就是如何在目標系統上建立根文件系統，步驟如下：首先在開發宿主機上建立一個目標機的根文件系統的目錄樹，然后利用嵌入式根文件系統生成工具在宿主機上生成目錄樹的二進制文件鏡像，最后下載到目標機上就可以了。對于不同的文件格式有不同的二進制鏡像生成工具，譬如JFFS的mkfs.jffs2、ISO9660的mkisofs。
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