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。
关键词 NAND Flash存储器 FATl6文件系统FAT表FRT表

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100000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
NAND Flash存储器的读取操作与普通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1块必须是有效块，装载了出厂标识、系统配置等信息；而其他块可能在使用前就足坏块，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。
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
目前嵌入式设备的Flash文件系统主要有3种：M-Systems公司的TrueFFS、JFFSx以及唯一专门针对NAND F1ash设计的YAFFS。这3种Flash文件系统都引入了日志结构的思想，其巾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。第2，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3，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，未必需要像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，则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
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：
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。
②文件分配表(File Allocation Table，FAT)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、1 6位、32位3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FATl6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(File Register Table，FRT)紧跟在FAT表之后．存放F1ash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．选择、建立FATl6文件系统。