全　蕾　江珊珊

[摘要]通過對(duì)NAND閃存使用的文件系統(tǒng)YAFFS實(shí)現(xiàn)原理的分析與研究，針對(duì)其兩點(diǎn)不足：加載時(shí)間隨著存儲(chǔ)容量的增大而增大；對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)沒有很好的實(shí)現(xiàn)損耗均衡，提出一種快速加載的文件系統(tǒng)FMNFS （Fast-Mounting NAND File-System）。

[關(guān)鍵詞]NAND閃存 YAFFS 加載時(shí)間 損耗均衡

中圖分類號(hào)：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0510041－01

一、引言

閃存作為目前嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的存儲(chǔ)器，按照存儲(chǔ)矩陣結(jié)構(gòu)的不同分為NOR型和NAND型兩種。NAND Flash強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，更高的性能并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級(jí)，是高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的理想解決方案，被大量應(yīng)用于移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備、移動(dòng)媒體設(shè)備和嵌入式設(shè)備中[1]。

目前可用于NAND型閃存的文件系統(tǒng)包括集中索引的文件系統(tǒng)和專門為NAND閃存設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)。到目前為止，YAFFS系列是唯一專門針對(duì)NAND閃存而設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)，YAFFS解決了集中索引文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)易丟失及損耗均衡等問題。但隨著NAND閃存存儲(chǔ)容量的快速增加，YAFFS也日益暴露其缺點(diǎn)，在大容量的NAND閃存上設(shè)計(jì)專門的文件系統(tǒng)成為了目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

二、FMNFS的設(shè)計(jì)思想

YAFFS的啟動(dòng)過程雖然不需要像JFFS系列一樣掃描每一個(gè)Flash的存儲(chǔ)單元。但是要掃描 NAND Flash上每一頁的附加存儲(chǔ)區(qū)，根據(jù)其中的控制信息來建立文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。所以YAFFS的啟動(dòng)加載時(shí)間是同F(xiàn)lash的存儲(chǔ)容量成正比的[2]。目前，NAND Flash的存儲(chǔ)容量越來越大，所以其加載時(shí)間是比較長的。

YAFFS采用一種多策略混合的算法來進(jìn)行垃圾回收，將貪心策略和隨機(jī)選擇策略分別用在不同的情況下。雖然就更新頻繁的數(shù)據(jù)而言，YAFFS實(shí)現(xiàn)了損耗均衡[3]，但是YAFFS沒有對(duì)占用大部分存儲(chǔ)空間的靜態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)損耗均衡。因此YAFFS不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)閃存器件的損耗均衡。

針對(duì)上面這兩點(diǎn)，本文提出了一種新的文件系統(tǒng)：快速加載的閃存文件系統(tǒng)FMNS（Fast -Mounting NAND File-system）。

在YAFFS中，文件的控制信息和數(shù)據(jù)信息混合存儲(chǔ)在同一個(gè)塊中，所以在加載時(shí)需要掃描所有的塊，這大大延長了文件系統(tǒng)的加載時(shí)間。為了能更快的加載文件系統(tǒng)，F(xiàn)MNFS采用了一種新的方法，它將集中索引的文件系統(tǒng)和日志文件系統(tǒng)兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。在FMNS中，不再將文件的控制信息和數(shù)據(jù)信息混合在一起存儲(chǔ)，而是將文件的控制信息和數(shù)據(jù)信息分離，分開存儲(chǔ)，一個(gè)擦除塊或完全用于存儲(chǔ)文件信息節(jié)點(diǎn)，或者用于存放純數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。其中文件信息節(jié)點(diǎn)中包括對(duì)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的索引。除此之外，F(xiàn)MNFS還將所有存儲(chǔ)文件信息節(jié)點(diǎn)的擦除塊的地址存儲(chǔ)在特定的位置。這樣，在加載的時(shí)候只要掃描文件信息節(jié)點(diǎn)塊中各個(gè)節(jié)點(diǎn)便可以建立文件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，而不用掃描整個(gè)的NAND Flash，從而大大減少了文件系統(tǒng)的加載的時(shí)間。

為了實(shí)現(xiàn)損耗均衡，使每個(gè)物理塊的使用壽命趨向于平均，延長閃存的壽命，F(xiàn)MNFS在垃圾回收和空閑塊的分配過程中使用了冷熱數(shù)據(jù)[4]的概念。所謂熱數(shù)據(jù)即需要被頻繁更新的數(shù)據(jù)，冷數(shù)據(jù)則是相對(duì)來說較少訪問、更新的數(shù)據(jù)。下面詳細(xì)介紹FMNFS中損耗均衡算法的設(shè)計(jì)。

三、FMNFS中損耗均衡算法的設(shè)計(jì)

為了讓NAND閃存上每個(gè)擦除塊的壽命趨于平均，根據(jù)上述的冷熱數(shù)據(jù)的概念，針對(duì)冷數(shù)據(jù)和熱數(shù)據(jù)采用了不同的算法，以延長NAND閃存的使用壽命。

FMNFS中，為了更好的實(shí)現(xiàn)擦除均衡，其所采用的算法為：

1．通過在附加區(qū)設(shè)置 Erase_Num字段來記錄每個(gè)擦除塊的擦除次數(shù)；

2．針對(duì)更新頻繁的索引信息 （熱數(shù)據(jù)），在分配擦除塊的時(shí)候每次都將擦除塊次數(shù)最小的擦寫塊分配給它；

3．對(duì)于不經(jīng)常更新的只讀靜態(tài)數(shù)據(jù) （冷數(shù)據(jù)），則在經(jīng)過“一段時(shí)間”后，需要對(duì)其進(jìn)行拷貝移動(dòng)。這個(gè)“一段時(shí)間”是擦除次數(shù)的差值來決定的，即當(dāng)所有塊中擦除次數(shù)最多的塊與擦除次數(shù)最小的塊的差值大于某個(gè)閾值時(shí)，則按下列步驟進(jìn)行：（1）找到擦除次數(shù)最大的塊，將其上面的數(shù)據(jù)復(fù)制到一個(gè)空白塊上面；（2）對(duì)擦除次數(shù)最大的塊進(jìn)行擦除操作；（3）將靜態(tài)數(shù)據(jù)從擦除次數(shù)最小的塊復(fù)制到之前剛剛擦除好的塊；（4）將靜態(tài)數(shù)據(jù)所在的塊作為垃圾塊進(jìn)行回收并在分配過程中將其分配給更新頻繁的數(shù)據(jù)。

改進(jìn)的垃圾回收算法的設(shè)計(jì)思想是：不再預(yù)先設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)空閑塊鏈表中的擦除塊小于這個(gè)數(shù)目時(shí)才啟動(dòng)垃圾回收操作。而是在空閑鏈表中的所有擦除塊被用完后，才啟動(dòng)垃圾回收。

具體方法：預(yù)先設(shè)置一個(gè)空閑塊鏈表中單元塊數(shù)的最小值Min，Min需要盡量滿足下次更新操作所需的空閑塊數(shù)。Min的值不可以過大，這樣空閑塊數(shù)過多，從而減少閃存中的可用空間。Min的值也不能過小，這樣便起不到改進(jìn)的作用。由于垃圾回收時(shí)不存在空閑塊，臟塊上面的有效數(shù)據(jù)便沒有辦法保存，所以在回收臟塊的時(shí)候采用基于閾值的貪心策略對(duì)垃圾塊進(jìn)行回收，即開始時(shí)每次選擇塊內(nèi)無效頁數(shù)量最多的臟塊進(jìn)行回收，當(dāng)空閑塊上的擦除塊數(shù)量到達(dá)一定值時(shí)，便從臟塊鏈表的開始處對(duì)垃圾塊進(jìn)行回收。

四、FMNFS損耗平衡測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試使用的目標(biāo)板是Blackfin531，NAND閃存的大小是512M，每頁的大小是2048+64字節(jié)，RAM的大小是64M。

按照冷熱數(shù)據(jù)的思想，文件系統(tǒng)中存放占據(jù)閃存大部分空間的只讀靜態(tài)數(shù)據(jù)文件3個(gè)，大小分別為：1M、10M、16M；存放300個(gè)小文件，其容量不超過10K。其中冷數(shù)據(jù)文件被訪問的概率為20%，熱數(shù)據(jù)被訪問的概率為80%。

對(duì)YAFFS2和FMNFS中擦除塊擦除的平均程度比較得：

1．在YAFFS2中存在一部分擦除次數(shù)接近于零的擦除塊；而在FMNFS中不存在這樣的塊。

2．FMNFS的擦除塊的擦除次數(shù)更加平均，且擦除次數(shù)的值比較低，從而可以延長閃存壽命；而YAFFS2中擦除塊的擦除次數(shù)較FMNFS普遍偏高。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘玉華、孫濤，NAND FLASH的數(shù)據(jù)管理方法[J].蘇南科技開發(fā)，Sunan Sci-Tech,Devel,2006（12）：1-3.

[2]龍瑞，YAFFS嵌入式文件系統(tǒng)原理分析[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2006（10）：76-79.

[3]王同洋、董永帥、吳俊軍，基于闌值控制的損耗均衡算法設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2008（3）：72-74.

[4]楊春林、雷航，基于NAND Flash的嵌入式文件系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007（12）：3102-3104.

作者簡介：

全蕾，女，江西臨川人，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)及核儀器；江珊珊，講師。