車載MP3中Flash文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　引言

　　目前車載播放器基本上采用的是CD播放器、MD播放器以及磁帶播放器等。由于這類播放器內(nèi)部具有一些機(jī)械式傳動部件，再加上裝在汽車這個特定的環(huán)境中，經(jīng)常會由于機(jī)械傳動或者光頭、磁頭受震動發(fā)生跳音或絞帶現(xiàn)象，從而影響音質(zhì)。

　　Flash存儲器由于具有存儲容量大、掉電數(shù)據(jù)不丟失、何種小以及可多次擦寫等許多優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代其它半導(dǎo)體存儲器件而廣泛應(yīng)用于移動電話、PDA以及數(shù)碼相機(jī)等移動電子產(chǎn)品中。其作為存儲數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序的存儲體，可以將大量數(shù)據(jù)方便、快捷地移動和交換。

　　基于上述兩點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個車載MP3系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Flash作為外存儲器，并且由全固態(tài)器件組成，播放時不會出現(xiàn)跳音或絞帶現(xiàn)象，音質(zhì)也很好。由于 Flash存儲器在應(yīng)用過程中可能會出現(xiàn)壞損單元，影響車載MP3播放器的性能，因此本文針對Flash存儲器自身的物理特性，設(shè)計(jì)了一個文件系統(tǒng)，對 Flash存儲器中的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行基于文件名或者文件號的存儲管理以及應(yīng)用透明的壞損管理。該系統(tǒng)優(yōu)化了存儲速度和存儲空間，提高了車載MP3播放系統(tǒng)的可靠性。

　　1 Flash存儲器特點(diǎn)

　　Flash內(nèi)部分為多個存儲單元塊（block），每個存儲單元塊又由多個頁（page）組成。存儲單元塊是可擦除的最小單位，頁是寫入數(shù)據(jù)的最小單位。

　　Flash 存儲器讀取數(shù)據(jù)與一般的存儲器類似，可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)讀取，讀出的速度也很快。而Flash存儲器的寫操作則和一般的存儲器有所不同，F(xiàn)lash的寫操作必須先按存儲塊擦除（寫入0xff到要擦除的存儲單元塊中），再按頁順序?qū)懭搿Ｓ捎贔lash存儲器擦除耗時較長，所以Flash存儲器寫入的時間主要在于 Flash存儲器內(nèi)部的擦除操作等。

　　Flash存儲器第一塊一定是有效塊，而其它塊可能會在使用前就是壞塊或者在使用過程中變成壞塊（invalid block）。Flash存儲器對內(nèi)部壞塊的判定是，根據(jù)其每一個單元存儲塊中的第3區(qū)中的第6 Cloumn內(nèi)容是否為0xff來定。雖然Flash存儲器內(nèi)容會有壞塊，但是由于每一塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是相互獨(dú)立的，所以只要對其狀態(tài)加以識別，壞塊并不影響系統(tǒng)對有效塊的操作。

　　2 Flash文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文在Flash存儲的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個Flash存儲管理系統(tǒng)來對Flash進(jìn)行物理管理。而在Flash存儲管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上又建立了一個FAT文件系統(tǒng)來對文件操作進(jìn)行管理，由Flash存儲管理系統(tǒng)和FAT文件系統(tǒng)共同組成了Flash文件系統(tǒng)。該文件系統(tǒng)完全支持文件名管理、自動壞損管理等通用文件系統(tǒng)所具有的功能；同時，針對車載MP3播放器系統(tǒng)特殊的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)改進(jìn)了該文件系統(tǒng)的可靠性，即使在惡劣的條件下也不會影響音質(zhì)。Flash文件系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2.1 Flash存儲管理系統(tǒng)

　　Flash 存儲器的操作是以塊為單位的，而FAT文件系統(tǒng)則是建立在以扇區(qū)（sector）為單位的磁盤操作基礎(chǔ)上（通常為512字節(jié)/扇區(qū)）。因此，本文設(shè)計(jì)了一個特殊的Flash存儲管理系統(tǒng)，來解決以塊為單位的Flash物理特性和以扇區(qū)為單位的文件系統(tǒng)接口之間的矛盾，以使得Flash的物理地址和FAT操作的邏輯地址之間能夠?qū)?yīng)。同時，由于Flash的其它特點(diǎn)，F(xiàn)lash存儲管理系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了各塊之間的擦寫次數(shù)均衡和壞塊管理等工作。

　　（1）物理地址到邏輯地址的映射

　　為了在Flash物理地址和FAT操作的邏輯地址之間建立一個好的映射關(guān)系，對Flash的存儲空間在邏輯上進(jìn)行了重新定義。結(jié)合Flash特點(diǎn)，將每個存儲單元塊內(nèi)部分成若干物理扇區(qū)，每個物理扇區(qū)由512字節(jié)+16字節(jié)=528字節(jié)組成。其中Main Area的512字節(jié)為有效數(shù)據(jù)空間，而Spare Area的16字節(jié)用于存放其它信息。

　　由上述定義便可以確定Flash物理扇區(qū)和絕對地址之間的對應(yīng)關(guān)系：

　　絕對地址=Flash基地址+物理扇區(qū)號×528

　　在建立了物理地址和邏輯地址之間的映射關(guān)系之后，但可以很好地將車載系統(tǒng)對音頻文件的操作轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)直接Flash的編程或者擦除操作。例如，在該系統(tǒng)中要進(jìn)行ReadFile()操作，便可以根據(jù)其對應(yīng)關(guān)系，通過執(zhí)行Flash存儲管理系統(tǒng)中的sectorread()操作來實(shí)現(xiàn)。

　　（2）可靠性設(shè)計(jì)

　　由于該車載系統(tǒng)采用汽車供電，因此當(dāng)汽車處于不太平衡的環(huán)境中，可能會由于顛簸千萬播放系統(tǒng)的異常斷電，所以提高車載MP3播放系統(tǒng)的可靠性非常重要。本文通過將Spare Area的16字節(jié)定義為邏輯扇區(qū)號、扇區(qū)當(dāng)前狀態(tài)、壞塊信息等來提高播放系統(tǒng)的可靠性。其中Spare Area的具體定義如下：

　　由以上定義可以看到，Spare Area的第4～5字節(jié)用于存儲扇區(qū)當(dāng)前狀態(tài)。這樣在Flash寫操作過程中，如果突然斷電，便可以根據(jù)此狀態(tài)進(jìn)行掉電數(shù)據(jù)恢復(fù)。該系統(tǒng)中設(shè)定扇區(qū)當(dāng)前狀態(tài)有3種：扇區(qū)為空（0xfff）、扇區(qū)數(shù)據(jù)無用（0x0000）、扇區(qū)數(shù)據(jù)有效（0x00ff）。這樣定義以后，系統(tǒng)便可以在Flash寫操作異常終止時能夠?qū)Ξ?dāng)時的狀態(tài)進(jìn)行及時的保存，以便下次系統(tǒng)開啟后能夠判斷出上次系統(tǒng)中存在的問題并作出相應(yīng)的處理。

　　（3）壞塊管理

　　由于Flash內(nèi)部會有壞塊，因此Flash存儲管理系統(tǒng)需要對Flash進(jìn)行壞塊管理。本文對壞塊的管理分以下兩種情況：

　　①初始壞塊處理。Flash存儲器在使用前可能會有壞塊，而且這些壞塊是隨機(jī)分布的。所以，F(xiàn)lash文件管理系統(tǒng)在系統(tǒng)執(zhí)行讀寫操作之前先建立一個壞塊表，然后對Flash存儲器進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)記為不可用，加入到壞塊表中。

　　② 操作過程中壞塊處理。在擦除或者編程過程中發(fā)生錯誤時，F(xiàn)lash文件管理系統(tǒng)將該塊中其它頁的數(shù)據(jù)重新拷貝到一個新的空塊中，然后再將該塊標(biāo)記為壞塊，加入到壞塊表中。在這個處理過程中，由于對Flash的擦除或者編程操作都會使得Flash存儲單元塊的內(nèi)容改變，所以Flash文件管理系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn) Flash存儲器的存儲單元塊成為壞塊后便不再對該塊進(jìn)行擦除或編程操作，以免將壞塊標(biāo)志位數(shù)據(jù)清除掉，而是將該塊標(biāo)記為壞塊，并將其加入壞塊表中。

　　Flash文件管理系統(tǒng)在進(jìn)行上述壞塊管理后，壞塊單元對用戶應(yīng)用是完全透明的。這大大方便了用戶的使用，也達(dá)到了車載MP3播放系統(tǒng)的目的。

　　（4）均衡擦寫次數(shù)

　　由于Flash有一定的使用壽命，一般可擦除的次數(shù)為10～100萬次，所以隨著使用次數(shù)的增加，會有一些單元逐漸變得不穩(wěn)定或失敗。因此，要盡量避免頻繁地對同一塊地址操作，以免造成局部單元提前損壞；同時，由于擦除操作耗時較多，也應(yīng)減少擦除操作，應(yīng)該盡量達(dá)到擦寫次數(shù)均衡。為此，本文設(shè)計(jì)了Flash 更新算法和磨損程度檢測算法。

　　Flash更新算法是將Flash中要更新的數(shù)據(jù)直接寫入一個空塊中，降低由于Flash先擦除后寫入的特性帶來的對塊的頻繁擦除；同時，也提高了Flash的使用效率，加快了操作速度。磨損程度檢測算法是在對Flash進(jìn)行寫入前必須先對Flash進(jìn)行壞塊掃描，以確保不會將數(shù)據(jù)寫入壞塊從而此起數(shù)據(jù)的丟失。這樣設(shè)計(jì)也是為了提高車載MP3播放系統(tǒng)的可靠性。

　　2.2 FAT設(shè)計(jì)

　　在Flash文件管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還建立了FAT文件系統(tǒng)來對文件操作進(jìn)行管理。將FAT文件系統(tǒng)具體分為以下四部分：

　　（1）FAT的引導(dǎo)區(qū)

　　該引導(dǎo)區(qū)存放代碼所需的信息及最重要的文件系統(tǒng)信息。這些信息包括了Flash存儲器的類型、容量以及劃分成多少個簇；每個簇包含多少扇區(qū)、FAT表數(shù)目、保留扇區(qū)數(shù)、根目錄的首簇號及根目錄入口數(shù)、版本信息等等。引導(dǎo)扇區(qū)是在格式化Flash時生成的。

　　（2）FAT的文件分配表

　　文件分配表存放文件所占用的存儲空間族鏈以及Flash存儲器的占用和空閑空間的情況，非常重要。為了防止文件分配表損壞而引起文件的丟失，該系統(tǒng)中保存了兩個相同的文件分配表FAT1和FAT2，以改善其安全性。在文件系統(tǒng)的操作中，程序?qū)AT表結(jié)構(gòu)的兩個備份進(jìn)行順次修改，以此確保Flash存儲器上總是存有一整套完好的文件分配表。

　　系統(tǒng)對FAT表的訪問原理如下：訪問文件時先從要目錄中找到該文件的目錄項(xiàng)，從中讀出首簇號。然后，目錄中找到該文件的目錄項(xiàng)，從中讀出首簇號。然后在FAT中找到從該首簇號開始的簇鏈，簇鏈上的簇號即為文件在邏輯扇區(qū)中占用的扇區(qū)號鏈，這樣便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫了。

　　（3）FAT的根目錄區(qū)

　　FAT 的根目錄區(qū)是固定大小的緊跟在FAT表后的區(qū)域。本文將從FAT區(qū)之后緊跟的32個扇區(qū)作為根目錄區(qū)，可以保存512個目錄項(xiàng)。每個目錄項(xiàng)記錄了該文件的文件名、文件屬性、文件大小、文件創(chuàng)建的日期和時間以及文件在數(shù)據(jù)區(qū)中所占的首簇號，即該文件在FAT表中的入口等數(shù)據(jù)。

　　（4）FAT的數(shù)據(jù)區(qū)

　　數(shù)據(jù)區(qū)存在文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容。文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)區(qū)的存儲空間是按簇進(jìn)行劃分和管理的。該系統(tǒng)中，定義1Cluster=32sector，一個文件總是占用若干個整簇，文件所使用的最后一簇剩余空間就不再使用。

　　由圖1可以看出，該FAT文件系統(tǒng)提供文件的格式化，文件的打開、刪除、關(guān)閉，文件的讀寫、查找等基本的功能。通過Flash文件系統(tǒng)對文件的操作進(jìn)行管理后，該車載播放系統(tǒng)便可以實(shí)現(xiàn)選曲、添加刪除歌曲、下載歌曲、音量調(diào)節(jié)等一系列功能了。

　　3 應(yīng)用

　　通過這樣的設(shè)計(jì)，F(xiàn)lash的存儲性能有了較大的改善，而且系統(tǒng)的可靠性也很好。即使在Flash寫操作異常終止頻發(fā)的最惡劣工作條件下，也不會丟失數(shù)據(jù)，更不會損壞非常重要的文件分配表結(jié)構(gòu)而造成系統(tǒng)的崩潰；因此，本文所設(shè)計(jì)的Flash文件系統(tǒng)能很好地適合于車載MP3播放系統(tǒng)的應(yīng)用。