FAT文件系统在NAND Flash存储器上的改进设计

　　嵌入式系统的大量数据都存储在其F1ash芯片上。根据Flash器件的固有特性，构建一个适合管理NAND Flash存储器的FAT文件系统，并阐述具体的设计思想。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，提高了稳定性。

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。数据写入必须在李白的区块或者擦除后的区块巾进行，其底层技术要求以块为单位进行擦除(将“Oxff”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降低，设计专门针对Flash存储器的文件系统是必要的。

1 NAND FIash存储器的特点

在设计NAND Flash文件系统前，首先要了解其内部结构。目前市面上的NAND Flash芯片单片容量已高达lGB，存储器容量最高达4GB(由4片1GB的芯片封装而成)。知名的NAND Flash制造商有Samsung、Tashiba等公司。下面以Samsung公司的K9wAG08UlM为例，说明大容量NAND Flash芯片的组织结构。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=(128KB+4KB)，芯片共8192块，总存储容量为(128KB+4KB)×8192=lGB+32MB。存储器每页带有64字节的冗余字节。整个芯片共计32 MB的冗余空间，用于存放块信息和ECC校验码等。

2 FIash文件系统的应用特点

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3个原因：第l，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。

针对上述情况，本设计构建了一个适合NAND Flash存储器的FAT文件系统。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

文件系统由以下4部分组成：

       O——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)。

①系统记录区(System Record Region，SR)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。

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．选择、建立FATl6文件系统。

4 FAT文件系统的改进设计

FIash第1块的分配信息区结构如图1所示。

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，并用指针指向它。每次FAT表存储的位置发生变化时，只需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，缩短存储器的寿命。文件系统的操作原理框网如图2所示。

同时，为了避免表存储区块的过度使用，当其擦除操作次数到了一个阈值(如次)时，先将FAT表和FRT表移动到其他空白区块，新区块作为表的存储区块。再把其中FAT表的首地址，写到FIash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。

经过上面的改进，文件系统不仅避免了FAT表和FRT表始终在一个块中被过度使用的现象，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，但确保了文件系统的安全性和可靠性。通过这样的没计，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F1ash存储器中的其他文件，更不会因此彻底损坏FAT表和FRT表，造成整个文件系统的瘫痪。

结语

根据嵌入式系统中Flash存储器的特点没计的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地工作。此文件系统出于可靠性的考虑，较通常的文件系统只多占用1个D(块(转存区块)的资源，而对于嵌入式上使用的NANE)Flash存储器，这样的耗费完全是可以接受的。

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FAT文件系统在NAND Flash存储器上的改进设计

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