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FAT文件系统在NAND Flash存储器上的改进设计
摘要：嵌入式系统的大量数据都存储在其Flash芯片上。根据Flash器件的固有特性，本文构建了一个适合管理NAND Flash存储器的FAT文件系统，并阐述了具体的设计思想。该系统改进了FAT表和FRT表的存储方式，延长了存储器的使用寿命，并提高了稳定性。
关键词：NAND Flash存储器 FAT16文件系统 FAT表 FRT表
FAT File System Designed on NAND Flash Memory
Abstract: A large number of data of embedded system are stored in Flash memory. Based on the intrinsic characteristics of Flash memory, this paper designed a FAT file system which is suitable for NAND Flash, and described the detailed notion. The system changed the storage methods of FAT and FRT, extended its use-life, and improved its reliability.
Keywords: NAND Flash Memory FAT16 File System FAT FRT

随着Flash芯片在各种嵌入式电子产品中的广泛应用，大容量的数据存储已经成为一个不容回避的问题。由于集成电路制造工艺的提高，Flash存储器的容量也呈指数增长。
NAND Flash存储器是一种数据正确性非理想的器件，容易出现位反转现象，同时在使用中可能会有坏损单元。数据写入必须在空白的区块或者擦除后的区块中进行，其底层技术要求以块为单位进行擦除（将“0xff”写入到要擦除的存储块中），再按页写入。Flash存储器的擦除次数是有限的，一般是1,000,000次，当某块执行过度的擦除操作后，这一块的存储空间将会变为“只读”状态，不能再写入数据。根据以上特点，为了避免某些块的过度操作，而导致存储卡使用寿命减少，设计专门针对Flash存储器的文件系统是必要的[2]。
1 NAND Flash存储器的特点
NAND Flash存储器读取操作与普通SRAM存储器类似，可以随机读取，读出的速度也很快。芯片生产厂商规定存储空间的第一块必须是有效块，装载了出厂标识，系统配置等信息，而其它块可能在使用前就是坏块，需要在初次使用时进行坏块检测，并标记，禁止数据写入。由于存储器每一块的内部结构都是相互独立的，坏块并不影响系统的操作[4]。
在设计NAND Flash文件系统前，首先需要了解其内部结构。目前市面上的NAND Flash芯片单片容量已经高达1Gbyte，存储器容量最高达到4Gbyte（由4片大小1G的芯片封装而成）。知名的NAND Flash制造商有Samsung，Tashiba等，下面以Samsung公司的K9WAG08U1M为例，说明大容量的NAND Flash芯片的组织结构。
如图1所示，在K9WAG08U1M中，页（page）是最基本的组织单位，每页有（2048＋64）＝2112字节，64页构成一个块（block），每块的容量是（2048＋64）×64＝（128K＋4K）byte，芯片共8192块，总存储容量为：（128K+4K）×8192=（1G＋32M）字节。存储器每页带有64byte的冗余字节，整个芯片共计32M的冗余空间，用于存放块信息和ECC校验码等[7]。

图1 K9WAG08U1M的结构
2 Flash文件系统的应用特点
目前嵌入式设备的Flash文件系统主要有如下三种[6]：M-Systems公司的TrueFFS、JFFSx以及唯一专门针对NAND Flash设计的YAFFS。这三种Flash文件系统都引入了日志结构（Log－Structured ）的思想，其中JFFSx和YAFFS是代码开源的。现在大多数嵌入式手持设备上的操作系统采用FAT文件系统，而DOS下通用的FAT文件系统并不适合直接移植到Flash存储器中，主要有以下三个原因[5]：第一，嵌入式系统的应用条件恶劣，电源电压不稳定，突发性断电以及非法插拔都将对Flash的存储造成灾难性的影响，通用文件系统对于可靠性的设计考虑不足；第二，通用文件系统的记录信息需要被多次改写（如FAT表），而记录信息放在固定的区块中，将导致该区块的频繁使用，影响整个Flash器件的使用寿命；第三，Flash存储器读取速度比磁盘驱动器快，存储的内容很多是多媒体数据资料，这些数据允许一定程度的误码率，未必需要如通用文件系统那样严格保证存储的正确性。如果通过灵活的校验机制与坏损管理，可以达到更高效的存储空间利用率，这对成本敏感的嵌入式系统来说是更加需要考虑的。
针对上述情况，本文构建了一个适合NAND Flash存储器的FAT文件系统，并针对其存储特点，对FAT表和FRT表的存储方式进行了改进，延长了使用寿命，增强了可靠性，使之更有利于Flash存储器的应用。
3 FAT文件系统的结构[1][3]
FAT文件系统技术成熟、结构简单、系统资源开销小，易于在嵌入式系统的硬件平台上实现。
文件系统由以下4部分组成，按如下顺序排列，如表1：
0－系统记录区（System Record Region）
1－FAT表区（FAT Region）
2－文件登记表区（File Register Table Region）
3－数据区（Data Region）
系统记录区
SR(System Record)
文件分配表
FAT(File Allocation Table)
文件登记表
FRT(File Register Table)
数据区
(Data Region)
表1：FAT文件系统结构
（1）系统记录区（SR，System Record Region）存放最重要的文件系统信息。如Flash存储器的类型、容量、版本信息、数据区域的位置和大小，还包括分区表和主引导程序。主引导程序的任务是检查分区表是否正确，自动读取FAT表和FRT表，将其复制到控制终端的内存中。
（2）文件分配表（FAT，File Allocation Table）存放Flash存储器上所有区块的占用与空闲情况以及每个文件的存储连接结构。FAT文件系统中有12位、16位、32位三种不同的格式，不同格式的文件系统管理存储单元的个数不同，如FAT16文件系统采用16位字长的分配表，最多可以管理2的16次方（65536）的基本存储单元。
（3）文件登记表（FRT，File Register Table）紧跟在FAT表之后，存放Flash文件系统中每一个文件的代号、长度、属性、目录、生成或最后修改的时间、以及该文件的存储链在文件分配表中的入口。
（4）数据区域（Data Region）用于存放数据。本Flash文件系统中，数据分配的最小单位是Flash存储器的一个基本擦除单元，即一个物理区块（block）。
考虑到文件系统在嵌入式设备上实现的方便性并权衡Flash存储器的应用规模，我们选择了建立FAT16文件系统。
4 FAT文件系统的改进设计
当文件系统工作时，发生变化的只有FAT表和紧跟在其后的FRT表，因此，只用跟踪记录FAT表和FRT表就能知道文件操作的具体情况，这也是文件系统的核心。但Flash存储器结构跟硬盘不同，不能直接改写其内容。直接移植的FAT文件系统，FAT表和FRT表始终存放在同一个区块中，将会导致该区块的使用寿命明显比其他的区块短，如果这一重要区域失效，将影响整个存储器的使用，因此我们必须改进两个表的存储方式。
Flash生产厂商设定的存储空间的第一区块必定是有效块。在改进的设计中，将第一个区块（128K+4K byte）作为存储器的系统记录区，同时在此区块中建立一个100K（50页）的空白区域用于记录FAT表在Flash中的起始地址（FRT表紧跟FAT表之后，不必再单独记录其首地址）。按照写入操作以页为单位的规则，100K的空间，可以加入FAT表的起始地址50次。Flash第一块的分配信息如下，如表2:
出厂标识，
原始配置信息等
SR系统记录信息
和主引导程序
FAT表首地址
……
……

表2：系统信息区结构
改进设计的文件系统把FAT表和FRT表作为可移动的数据放在某一个区块内，在Flash的系统信息区中记录着FAT表的首地址，并指针指向。每次FAT表存储的位置发生变化时，只用将新位置的首地址添加到系统信息区的空白区域中，再调整指针的指向。这样避免了FAT表和FRT表始终在一个区块中反复擦写，导致该区块被过度使用，减少存储器的寿命。具体如图2所示：

图2 文件系统的操作原理图
图2中，主引导区程序首先读出存储在系统信息区中FAT表的首地址，找到FAT表和FRT表，再将其复制到控制终端的内存中进行操作（内存中可以按位修改，避免了Flash不能按位修改的困难）。由于FAT文件系统是索引的链式结构，在内存中修改FAT表和FRT表的同时，也将两个表的改写情况以链式的方式紧跟在Flash存储器中两个表后面的空白区域里。这样在任何时候发生突然掉电或非法插拔而导致内存中FAT表和FRT表丢失的情况下，也能根据Flash中改写的内容恢复两个表，提高了文件系统的可靠性。
在全部操作完成后，先把内存中的FAT表和FRT表写到存储器的转存区块中，擦除原来表所在的区块，再将转存区块中的内容复制到擦除后的原区块中，最后擦除转存区块，完成整个一次操作。
同时，为了避免表存储区块的过渡使用，当其擦除操作次数到了一个阀值（如500,000次）时，先将FAT表和FRT表移动到其他的空白区块，新区块作为表的存储区块。再把其中FAT表的首地址，写到Flash存储器的系统信息区的预留空白区域中，通过变化指针，程序在下次操作时将读取新地址。原先存放FAT表和FRT表的区块被标志为无效，最后通过Flash的垃圾回收策略，回收此区块。这样可达到将FAT表和FRT表作为移动数据存储的目的，延长了使用寿命。如图3所示：

图3 FAT表和FRT表的存储原理图
上面的设计中，存储器第一区块作为信息记录区块，其中的预留空白空间可以记录50个地址，可以满足FAT表和FRT表移动50次，表存储区块的使用寿命提高了50倍。图4是整个操作的流程图。

图4 操作的流程图
经过上面的改进，我们设计的文件系统不仅避免了FAT表和FRT表始终在一个块中被过度的使用，也避免了在任何时候，发生掉电或非法插拔的情况，仍然可以根据Flash中修改过的内容重新建立新的FAT表和FRT表，使文件系统不至于遭到致命的破坏。这样虽然占用了一些Flash资源，但也确保了文件系统的安全可靠性。通过这样的设计，即使出现了操作异常的情况，错误也只涉及当时被操作的文件，不会扩散给Flash存储器中的其它文件，更不会因此彻底地损坏FAT表和FRT表，造成整个文件系统的瘫痪。
5 结束语
本文根据嵌入式系统中Flash存储器的特点，设计的FAT文件系统对FAT表和FRT表的存储方式进行了改进，使其使用寿命和可靠性都有了较大的提高。即使在嵌入式设备操作异常频发的恶劣工作条件下，文件系统也能够保证安全的工作。此文件系统出于可靠性的考虑，较通常的文件系统会多只占用1个区块(转存区块？该块是否也要移动)的资源，而对于嵌入式上使用的NAND Flash存储器来说，这样的耗费完全是可以接受的。
参考文献
[1]Microsoft Corp. Description of the FAT file system, datasheet. USA : 1999.
[2]普天信息技术研究院. 关于NAND Flash存储空间管理和文件管理方法的研究. 技术报告. 北京：2005.
[3]ANDREW S.TANENBAUM & ALBERT S.WOODHULL. 操作系统：设计与实现（第2版） USA：电子工业出版社. 1998.
[4]罗华春,徐邡. 基于Flash存储器的嵌入式文件管理器设计. 交通与计算机 2005 23(1) .
99-102.
[5]邓剑 杨晓非 廖俊卿. FAT文件系统原理及实现. 计算机与数字工程. 2005 33(9) .105-108.
[6]黄文增，陈俊达，陈彦胜，刘仓吉. 以区块为基础之与非门闪存管理模式:台北科技大学学报 2005 第三十七之二期
[7]K9XXG08UXM. datasheet. Samsung Electronics Corp. 2005.