Flash文件系统及存储管理技术研究与实现
Flash存储管理在嵌入式系统中的实现
现对不 同类型闪存进行灵活可变的直接 寻址 。 通过建立页数组增大文件 系统 的直接寻址范围 ， 根据区块数据 不同的更新频率分别设 计动态 损耗均衡算法和静态损耗均衡算法 ，用于 实现需求块回收和损耗均衡 。 关健词 ：文件系统 ；节点树 ；动态位宽 ；阈值
Ｉ ｐ ｅ ｅ ｔ ｔｏ ｆＦ ａ ｈ Ｓ ｏ ａ ｅＭ ａ ａ ｅ ｅ ｔ ｎ Ｅｍ ｂ ｄ ｅ ｙ ｔ ｍ ｍ ｌｍ ｎ ａ ｉ ｎ ０ ｌ ｓ ｔ ｒ ｇ ｎ ｇ ｍ ｎ ｉ ｅ ｄ ｄ Ｓ ｓｅ
第３ ６卷 第 ８期
Ｖ１ ｏ． ３６
・
计
算
机
工
程
２１ ００年 ４月
Ａｐ ｉ ２ １ ｒｌ ０ ０
Ｎｏ ．８
Ｃｏ ｍｐｕｔ ｒＥｎｇ ｎｅ ｒｎｇ ｅ ｉ ｅｉ
软件 技术 与数据 库 ・
文章编号：ｌ ０ ４８００ ８－０８ ０ 文 ０ —３２（ １０－ ８ ＿３ ０ ２ ） ０ － 献标识码： Ａ
容 ，根据从 Ｏ Ｂ 中读取的文件系统标记信息判断是文件头 Ｏ ｃｕ ｋ还是数据 ｃ ｕ ｋ 然后根据文件头 ｃｕ ｋ中的内容以及 ｈｎ ｈｎ 。 ｈｎ 数据 ｃｕ ｋ中的 ｏｊｃｌ ｈｎ ｂｅｔ Ｄ和 ｃｕ ｋＤ等信息在内存 中为每个 ｈｎ ｌ
文件建立一个对应的对象 。扫描所有 的 ｂｏｋ后会建立所有 ｌｃ
［ ｓｒｃ］Ａｉ ｎ ｔｈ ｒｂｅ ｏ ｒｅｓ ｒｇ ｙｔｍ’ ｍａａ ｅ ｎ， ｉ ｃ ｄ ｒｓｉｇａｇ ｒｈ ｉ ｄｓｒ ｅ ｍｂ ｄ ｅ ｌ ｓｓ ｍ． Ａｂｔａ ｔ ｍｉｇａ ｔｅｐｏ ｌｍ ｆａｇ ｔ ａ ｅｓｓ Ｓ ｎ ｇ ｍｅｔａｄｒ ｔ ｄｅｓ ｌｏｉ ｍ ｅｃｉ ｄｉ ｅ ｅ ｄｄｆｅ ｙｔ ｌ ｏ ｅ ｅ ａ ｎ ｔ ｓ ｂ ｎ ｉ ｅ
NAND Flash固态存储卡的设计与实现
收 稿 日期 ：０ １１—１ ２ １—２３
修 改稿 日期 ：０ ２０ —０ ２ １ －３３
作者简介 ： 尹
营（ ９８） 女 ， １７ 一 ， 四川绵阳人 ， 硕士 ， 工程师 ， 主要从事数字 电路设计
第 ２期
尹
蕾： ＮＡＮ ｌｓ Ｄ Ｆａｈ固态存储 卡的设计 与实现
３１ Ｏ
该存 储卡 用 于 高 速采 样 存 储
系统 ， 要求 写 入速 度 快 、 储 容 量 存
大． 统 选 用 的 ＮＡＮＤ Ｆａ ｈ芯 系 ｌｓ 片 为 三 星 的 Ｋ９ Ｇ０ Ｕ５ ， ＮＣ ８ Ｍ 该
Ｆａｈ芯 片 单 片 的 容 量 为 ８ ＧＢ ｌｓ ． 该 Ｆａｈ的基本 结 构 为 ： ｌｓ ４个 ｄｅ ｉ，
每个 ｄｅ 含 ８１ ２块 ， ｉ包 ９ 每块 包 含
容 量 和存储带 宽 的要求 在不断 提高 ．
固态存储 卡 由控制 单元 和存储 单元组 成 ， 相较 与传统 的硬 盘而 言有 以下 的优点 ： 它 由于没有 电机加 速旋转 的过 程 ， 以启 动快 ； 所 由于 不用磁头 ， 快速 随 机读取 ， 以读延迟 极小 ； 所 由于没有 机械 马达 和风扇 ，
Ａ ｐｒ ２ ２ ． ０１
２１ ０ ２年 ４月
ＮＡＮＤ Ｆ ａｈ固态 存储 卡 的设 计 与实 现 ｌｓ
尹 蕾
（ 国 工程 物 理 研 究 院 电子 工 程 研 究 所 ， 川 绵 阳 ６ １０ ） 中 四 ２ ９ ０
摘 要 ： 述 了 一 种 基 于 Ｃ Ｃ 的高 速 固 态 存 储 板 卡 的设 计 和 实 现． 存 储 卡 用 于 某 项 目中 频 采 样 存 储 设 备 描 ＰＩ 该
据传输 速率 为 ５ ０ＭＢ ｓ 理论上 可 以达到 ２Ｇ ／ ） 存储 容量 为 ７ ８Ｇ ． ０ ／ （ Ｂ ｓ， ６ Ｂ
应用于AMR的Flash文件系统设计与实现
ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ Ｍ Ｋ６０ ａｎｄ Ｍ ＱＸ ＲＴＯＳ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｆｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ
ｄａｔａ ｓｅｃｕｒｉｔｙ
ＤｏＩ：１０．３９６９／ｉ＿ｉｓｓｎ．１０００．３４２８．２０１６．０２．０１２
中 文 引 用格 式 ：刘 利 方 ，罗亚 辉 ，康 江 ．应 用 于 ＡＭＲ 的 Ｆｌａｓｈ文 件 系 统 设 计 与 实 现 ［Ｊ］．计 算 机 工 程 ，２０１６，４２（２）：
６６—６９ ．７６．
英 文 引 用 格 式 ：Ｌｉｕ Ｌｉｆａｎｇ，Ｌｕｏ Ｙａｈｕｉ，Ｋａｎｇ Ｊｉａｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌａｓｈ Ｆｉｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｅｄ ｉｎ ＡＭＲ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，４２（２）：６６：６９，７６．
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｆｏｒ ｒｅｍｏｔｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍｅｔｅｒ Ｒｅａｄｉｎｇ（ＡＭＲ）ｓｙｓｔｅｍｓ ｔｈａｔ ｒｅｑｕｉｒｅ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｄａｔａ ｓｔｏｒａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａ
ｐｏｗｅｒ ｆａｉｌｓａｆｅ ａｎｄ ｍ ｉｎｉｍ ａｌ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ Ｆｌａｓｈ ｆｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｆｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ ａ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ，
单片机flash储存结构体的方式
单片机flash储存结构体的方式单片机的Flash存储结构体的方式可以通过以下几种方式实现：
1. 直接存储，将结构体直接存储到Flash中。
这种方式需要考
虑Flash的写入擦除次数，以及Flash的页大小和擦除块大小，避
免频繁写入导致Flash寿命缩短。
2. 分页存储，将结构体分成适当大小的页，然后按页写入Flash。
这样可以减少对Flash的擦除次数，延长Flash的使用寿命。
3. 压缩存储，对结构体进行压缩，然后再存储到Flash中。
这
种方式可以节省Flash的空间，但在读取时需要进行解压缩操作。
4. 文件系统存储，使用文件系统将结构体以文件的形式存储到Flash中，例如FAT文件系统。
这种方式可以方便地管理存储的结
构体数据，但会增加额外的存储空间和读写开销。
无论采用哪种方式，都需要考虑数据的完整性和一致性，以及
对Flash的读写操作进行合理的管理，避免出现数据损坏或者
Flash寿命缩短的情况。
同时，还需要考虑结构体数据的访问方式和频率，选择合适的存储方式来满足系统的需求。
NANDFlash阵列存储系统中FTL的设计与实现
摘要近年来，随着技术的进步，NAND Flash型闪存已逐渐褪去其以往高价的形象，在轻巧度、可靠度以及容量上不断地提升，加上其低功耗、掉电非易失等特点，已被广泛应用于各种移动设备及嵌入式存储系统中。
以NAND Flash作为存储介质的固态硬盘（SSD），由于具有普通的磁介质硬盘（HDD）所不能比拟的优点，在近些年来迅速成为存储领域的热点技术。
然而，一个典型的NAND Flash器件是由若干个块（block）组成，而每块又包含若干页（page），其特殊的物理结构使NAND Flash无法像磁介质硬盘一样原地更新数据，因此，需要在文件系统及物理层之间加入闪存转换层（FTL），解决文件系统的逻辑扇区地址与NAND Flash物理页地址的映射问题。
本文提出并实现了一套基于NAND Flash阵列存储系统中FTL的设计算法，包含地址映射、坏块管理，主要完成的工作如下：[1].构建地址映射对于逻辑地址到物理地址的映射，实现了一种基于LOG BLOCK的混合映射机制，可以有效的避免不必要的拷贝与擦除操作，做到实时更新映射表，节约映射时间，且同时减小了映射表占有的空间大小。
[2].坏块管理以数组的形式对系统中的32片NAND Flash的坏块进行管理，对于出厂坏块及使用坏块使用不同的判别方法。
实现了坏块检测及坏块重映射，保证数据不会因坏块的存在造成丢失。
[3].FTL整体测试针对本课题的预期设计结果，进行了相关的可靠性及稳定性测试，并对实验结果进行了分析。
经过测试，实验运行结果实现了预期研究方案中的功能，达到了预期的结果，有效的减小了映射表的大小和页拷贝、块擦除次数，提高了系统性能。
关键词：NAND Flash FTL 地址映射坏块管理AbstractWith the technological advances, NAND Flash memory has gradually changed its image of costliness in recent years. In the area of weight, reliability and capacity, NAND Flash has upgraded continuously, with its characteristics of low power-consumption and non-volatile, NAND Flash has been widely used in a variety of mobile devices and embedded memory systems. The solid-state drive (SSD), which is a storage system based on NAND Flash, completely eliminates the mechanical defects of the hard disk drive (HDD). Therefore, NAND Flash is rapidly becoming a hot area of storage technology recently. However, a typical NAND Flash device is made up of number of blocks, and each block is made up of number of pages, its unique physical structure enable NAND Flash’s updating operation is different from HDD’s, because NAND Flash need a write should be preceded by an erase operation. So, a flash translation layer (FTL) is introduced to solve the mapping problem between the logical address and physical address. In this paper, the design of FTL in NAND Flash array system includes the following:[1].Mapping schemeTo complete the mapping, a LOG BLOCK-based hybrid mapping scheme is proposed. It can effectively avoid the unnecessary copying and erasing operations, and achieve the real-time updating. The scheme is time-saving and space-saving.[2].Bad block managementIn the form of an array to manage bad blocks, there are different methods to identify the initial and runtime bad blocks. The implementation of the bad blocks re-mapping to ensure that data would not be lost due to bad blocks.[3].The overall test for FTLFor the expecting result of the design, a relevant test of the reliability and stability is carried out, and experimental results are analyzed.All of the experimental results showed that the design of FTL in NAND Flash array system was compact and steady, the mapping scheme implemented in the FTL reduced the size of mapping table, the times of page copy and block erase effectively. It provided well compatibility in the system.Key Words：NAND Flash FTL Address Mapping Bad Block Management目录第1章绪论 (1)1.1 课题来源及意义 (1)1.2 课题相关技术背景 (1)1.2.1 固态硬盘简介及其分类 (1)1.2.2 固态硬盘控制器简介 (3)1.2.3 SSD设计的关键问题 (4)1.3 本文的研究内容与组织结构 (4)第2章NAND Flash阵列存储系统的基本原理 (8)2.1 Flash型存储器简介 (8)2.1.1 NAND Flash与NOR Flash (8)2.1.2 SLC NAND Flash与MLC NAND Flash (10)2.1.3 NAND Flash器件的指令 (12)2.1.4 NAND Flash器件的操作特点 (14)2.1.5 NAND Flash器件的相关参数介绍 (15)2.2 NAND Flash阵列存储系统硬件结构 (17)第3章 NAND Flash阵列存储系统中FTL的设计与实现 (19)3.1 两种典型的设计方法 (19)3.1.1 闪存型文件系统 (19)3.1.2采用FTL结构的文件系统 (20)3.2 FTL的多种算法研究 (21)3.3 NAND Flash阵列存储系统中FTL的设计方法 (26)3.3.1 FTL的设计目标 (26)3.3.2 FTL设计流程 (27)3.4 地址映射的实现 (29)3.4.1 NAND Flash阵列混合地址映射的实现 (29)3.4.2 映射表查找及更新方法 (37)3.5坏块管理表的建立方法 (37)3.5.1 坏块管理流程 (37)3.5.2 初始化坏块检测的实现 (39)3.5.3使用中坏块的辨识与检测 (40)3.5.4坏块查找表与重映射原理 (41)3.6冗余字节的信息存储安排 (41)第4章实验结果分析 (43)4.1 系统兼容性分析 (43)4.2突发状况下保证数据安全方法 (43)4.3 实验测试方案及结果 (44)4.3.1 实验测试方案 (44)4.3.2 坏块管理形式 (44)4.3.3地址映射机制的比较 (45)4.3.4 读写测试及分析 (47)总结 (52)参考文献 (54)致谢 (57)第1章绪论1.1 课题来源及意义NAND Flash，一种非易失性存储介质，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘。
基于NOR FLASH存储器的嵌入式文件系统的设计与实现
置文件位于注 册表 ＨＫＥＹ— ＯＣＡＬ Ｌ —
ＮＥ Ｄｒｖ ｒ＼ ｕｌ ｎ＼ ｔａａ ＭＤ ｔ 先将 Ｆ ａｈ划分位三部分 ，第 一部 ＭＡＣＨＩ ＼ ｉｅｓ Ｂ ｉ ｌ Ｓｒ ｔＦ ｌｓ
在此 文件 系统 中， 我们使用 了微软 自 分存放 Ｅ ＯＯ Ｉ １Ｋ配置文件 ， Ｂ Ｔ￣ ５ ２ ２ 第二 下 ，
ｌｓ 构 建 基 于 Ｐ ２ ２存储 器 的嵌 入 式 文 件 部分存放 ３ Ｍ 的 ＮＫ． Ｉ 最 后一部分 带 的 Ｆ ａｈ驱 动 。 ＸＡ ７ ２ Ｂ Ｎ， 系统
划为 ３ Ｍ 的文件系统 ， ２ 其具体 划分如 图
结语
嵌入式手持设 备硬件结构如 图 ３ 所 ４ 示 。 所 示。 其主要 由嵌入式微控 制器Ｐ ＸＡ２ ２ ７，
Ｉ ｔｌＰ ｎ ｅ ＸＡ２ ２ 理 器 是 Ｉｔｌ 司 存储设备提 供 了统一的设备接 口，支持 靠 ，效果 良好。可 以用来存储大量数据 ７处 ｎｅ公 推 出的 ３ ２位 ，基 于 Ｘｓａｅ 构 的 高 性 Ｉ ｔｒ Ｃ Ｕ架 构 。我 们 利 用 Ｐ Ｍ 作 为 而 且 又 能 满 足 不 同 需 求 。 相 对 于 ｃ ｌ架 ｎｅ 的 Ｐ Ｓ
ＦｌＳ ｓ ｅ ｅ 由下列几 个组件组 分 区管 理器 、 ｉ ｙ ．ｘ ｅ 文件
成：
・
系统 驱 动 程 序 管 ＲＯＭ 文件 系统 存储管理器 理 器。 存储管理 器 组 件 之 间 的关 系 图２ ＦｌＳ ｓ ｅ ｅ ｉ ｙ ．ｘ 各组件之 间的关 系图 ｅ
・
…
…
…
明
目
＼ ｙｔｍ＼ ｔｒｇ Ｍａ ａ ｅ＼ ｒｆ ｅ下 ， Ｓ ｓｅ Ｓｏａ ｅ ｎ ｇ ｒ Ｐ ｏ ｌｓ ｉ
每个 配置文 件都 是位于基本配置文件项 的下面 ， 以此 配置文件名称标 识的项 。 例 如 ，我们利用了 Ｉｔｒ ｎｅ 的Ｐ Ｍ文件 系统 ， Ｓ
一种使用flash进行高效数据存储的方法与流程
一种使用flash进行高效数据存储的方法与流程随着信息技术的不断发展和数据量的不断增加，数据存储和管理成为了各行各业面临的重要问题。
传统的硬盘和固态硬盘在面对大规模数据存储时存在着一些瓶颈和限制，因此寻求新的高效数据存储方法成为了一种迫切的需求。
在这样的背景下，基于flash进行高效的数据存储逐渐成为了一个备受关注的领域。
本文将介绍一种使用flash进行高效数据存储的方法与流程。
一、背景与意义当前，许多应用和系统都需要处理海量数据，并且对数据的访问速度和响应速度要求越来越高。
传统的硬盘和固态硬盘在这样的应用场景下存在着一些瓶颈。
而基于flash的存储方案则具有读写速度快、寿命长、能耗低等优点，因此备受关注。
研究一种使用flash进行高效数据存储的方法与流程具有重要的理论意义和实际意义。
二、基本原理使用flash进行高效数据存储的方法的基本原理是利用flash的特性，通过合理的组织和管理数据，使得数据的读写能够更加高效和稳定。
在这一过程中，需要充分考虑flash的特点，包括寿命、写入次数、块擦除等。
基于这些特性，可以设计出一种更加高效的数据存储方案。
三、方法与流程1. 确定数据存储需求：首先需要确定需要存储的数据的类型、规模和访问方式等。
不同的数据存储需求会对存储方案的设计产生重要影响。
2. 选择合适的flash存储设备：根据数据存储需求和预算等因素，选择合适的flash存储设备。
目前市面上有各种不同类型的flash存储设备，包括SSD、NVMe、UFS等，因此需要根据实际情况进行选择。
3. 设计数据存储结构：根据数据存储需求和选择的flash存储设备，设计合理的数据存储结构。
这一过程包括文件系统的选择、数据分布的设计、数据块的划分等。
4. 实现数据读写优化：在实际的数据存储过程中，需要充分利用flash 的特性，进行数据读写的优化。
这包括采用合适的读写算法、合理的数据缓存机制，以及对数据进行压缩和加密等处理。
机顶盒Flash文件系统分析及实现
机顶盒Flash文件系统分析及实现
陈志杰;朱响斌;高洁
【期刊名称】《电脑知识与技术：学术交流》
【年(卷),期】2012(008)007
【摘要】在高清机顶盒迅速发展的背景下,为有效管理大容量Flash存储设备,通过分析JFFS2和UBIFS两种Flash文件系统的性能,设计高清机顶盒的Flash文件系统,并提出了在该系统上实现Flash驱动的方法。
在一款MIPS平台上实现了该系统并进行了相应的测试。
【总页数】3页(P4737-4738,4748)
【作者】陈志杰;朱响斌;高洁
【作者单位】浙江师范大学数理与信息工程学院,浙江金华321004
【正文语种】中文
【中图分类】TP311
【相关文献】
1.嵌入式文件系统及jffs2文件系统在Flash上的实现 [J], 刘金梅;张振东;路全;杨建华
2.机顶盒中Flash文件系统的设计与实现 [J], 张屹;王宏远
3.机顶盒Flash文件系统分析及实现 [J], 陈志杰;朱响斌;高洁
4.Flash文件系统分析及其在VxWorks中的实现 [J], 李勇;刘宏立
5.一种嵌入式Flash文件系统在机顶盒上的设计和实现 [J], 许月玲;王宏远
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Flash文件系统研究综述
Ｊ 现
是 片 内执行 （ ｃｔ ｎＰａｅ的功 能 ， 用程 序 可 以 ｅ ｕｅＩ ｌｅ） Ｘｅ 应 直接 在 Ｆａｈ内运行 ，不必 再 把 代码 读 到 系统 Ｒ ｌｓ ＡＭ
中 。Ｔ ｓｉａ公 司 在 次 年 发 表 了 Ｎ Ｄ Ｆａｈ结 构 ． ｏｈｂ ＡＮ ｌｓ
和线 性 Ｆａｈ文件系统 问 。 ｌｓ 等
Ｆａｈ存 储器 被广 泛地运 用 于简单 、快 捷 的信息 ｌｓ
存 储领 域 。存储 器被 看作 为一种 静态 存储设备 ， 其所
有的 部件都 是 固定的 。Ｆａｈ存 储器按 其底 层技 术结 ｌｓ
Ｔ ｌＦ Ｓ 、Ｆ Ｓ 以及 唯一 专 门针 对 Ｎ ＮＤ Ｆａｈ设 ｎｅ Ｆ 统 都 引入 了 日志 结 构【
ＭＤＲ Ｃ Ｔ ｏ ④ ＯＥＮ ＯＰ Ｅ２６ Ｍ Ｒｏ． Ｕ ９
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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 ， 对成 本敏 感 的 这 嵌入 式系统来 说是必 须考 虑的 。
目前 主 流 的 Ｆ Ｓ有 如 下 种 ： Ｓ ｓ ｍｓ 司 的 Ｆ Ｍ— ｙｔ 公 ｅ
ｌ Ｆ ａ 储 器 简 介 ［ ］ ｈ存 ｓ ］
维普资讯
Ｉ 论 坛 Ｔ
阎
（． １ 北京 交通 大学 电子信 息工程 学 院 ， 京 １０ ４ ； ． 天信 息技术 研究 院一 端项 目部一 动存储 项 目组 ， 北 ００４ ２ 普 终 移 北京 １０ ４ ） ０ ０ ３
摘
要 ：Ｆａ １Ｓ 储 器是 近 十 年 来 应 用 广 泛 的 一 种 半 导 体 存 储 器 。 本 文 介 绍 了 Ｆａｈ存 储 器 的 结 构 和 特 点 ， ｈ存 ｌ ｓ
Flash文件系统研究综述
别等， 并设置与存储器相关的一些参数。ＴｒｕｅＦＦＳ 已
经 包 括 了 支 持 Ｉｎｔｅｌ、ＡＭＤ、Ｔｏｓｈｉｂａ 等 厂 商 的 大 多 数
Ｆｌａｓｈ 芯片的 ＭＴＤ 层驱动， 对于新的器件则需要编写
新的 ＭＴＤ 层驱动。
Ｓｏｃｋｅｔ 层 提 供 了 ＴｒｕｅＦＦＳ 和 硬 件 之 间 的 接 口 服
计的 ＹＡＦＦＳ［５］。这三种文件系统都引入 了 日 志 结 构［９］
的思想， 其中 ＪＦＦＳｘ 和 ＹＡＦＦＳ 是代码开源的。非主流 现
的 Ｆｌａｓｈ 文 件 系 统 有 Ｍｉｃｒｏ Ｄｉｇｉｔａｌ 公 司 的 ＳＭＸＦＦＳ［７］ 代
和线性 Ｆｌａｓｈ 文件系统［６］等。
计
３ Ｔｒ ｕ ｅ ＦＦＳ
收、块分配和关联数据集结以及错误恢复。
现
①损耗均衡（ Ｗｅ ａ ｒ Ｌｅ ｖｅ ｌｉｎｇ）
代
Ｆｌａｓｈ 存储器不能无限次重复使用。它的每个块
计 的擦除次数虽然很大， 但也有限。因此， 随着使用次数
算 的增加， 最终会变成只读状态， 所以我们应该尽最大 机 可能延长其整体寿命。行之有效的方法就是平衡所有
总 存储单元的使用次数， 而不让某一单元过度使用。这
第 种技术被称之为损耗均衡。ＴｒｕｅＦＦＳ 使用的是基于一
二 四
张动态维护表的 Ｂｌｏｃｋ－ ｔｏ－ Ｆｌａｓｈ （ 块对应于 Ｆｌａｓｈ） 传
三 输系统来实现 Ｗｅａｒ Ｌｅｖｅｌｉｎｇ 技术。当块数据被修改移
期 动， 或碎片回收后， 这张表就会自动调整。就像块设备
图 １ ＴｕｒｅＦＦＳ 的层次结构
翻 译 层 主 要 实 现 ＴｒｕｅＦＦＳ 和 磁 盘 文 件 系 统 之 间
的高级交互功能， 管理存储器中各物理可擦块的关
一种基于mcu的片外flash文件系统的读写方法
一种基于mcu的片外flash文件系统的读写方法专利名称：一种基于mcu的片外flash文件系统的读写方法技术领域：本发明涉及微控制单元技术领域，尤其是涉及一种基于MCU的片外FLASH文件系统的读写方法。
背景技术：MCU(Micro Control Unit)中文名称为微控制单元，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。
因其片内集成R0M(只读内存)和RAM(随机存储器)资源，使用方便，成本低廉，广泛应用于各个领域。
但由于其片内FLASH(闪存)容量通常较小，在有大容量存储需求的应用场景，通常使用外接大容量串行FLASH存储芯片以满足需求，如图I所示MCU和外接FLASH连接，以MCU为核心设置以太网接口和调试串口用于通信和调试。
文件系统是用于明确磁盘或分区上的文件的方法和数据结构；即在磁盘上组织文件的方法。
而文件系统的使用会使得对于FLASH存储空间的分配和回收、文件的存储与拷贝、磨损平衡的处理等更为方便。
由于FALSH擦除与写入必须按照以最小存储块为单元进行，通常为64KB或者更大，采用常用的文件系统的程序实现方法，必须在RAM开辟数个与存储块大小相等的存储空间，以供写FLASH时数据缓存。
而这种实现方式对于RAM资源极其有限的MCU 来说，几乎不可能实现。
发明内容本发明公开了一种基于MCU的片外FLASH文件系统的读写方法，解决了利用MCU较少RAM资源实现文件系统对FLASH块读写缓冲的需求。
本发明的技术方案为一种基于MCU的片外FLASH文件系统的读写方法，在片外FLASH的文件系统和片外FLASH的驱动层之间增加逻辑转换层，所述逻辑转换层将片外FLASH 的每一个物理sector划分为若干个与逻辑sector大小相等的区域并分配序号,基于逻辑转换层的读写操作实现方式如下，在文件系统初始化阶段，逻辑转换层在将文件系统上所有逻辑sector分别映射到片外FLASH的物理sector中，将映射信息记录到物理sector的映射表，所述映射信息包括逻辑sector映射到物理sector的地址信息和逻辑sector在物理sector中的区域序号,所述逻辑sector映射到物理sector的地址信息包括逻辑sector地址和物理sector地址；当文件系统进行读取操作时，逻辑转换层根据需要执行读操作的逻辑sector地址，首先查询映射表获得映射信息，然后读取相应的物理sector地址和区域序号并返回给文件系统，片外FLASH的驱动层根据直接读取物理sector中对应区域的信息；当文件系统进行写入操作时，逻辑转换层申请片外FLASH中的空闲区域，并将逻辑sector的新信息写入,然后将逻辑sector重新映射到片外FLASH的物理sector中，修改映射表记录重新映射的映射信息；描述ctor用扇区少于用户要申请写入的扇区时，逻辑转换层就启动机逻辑转换层始终保留片外FLASH的部分物理sector的所有区域处于空闲状态，将这部分物理sector作为回收中转区，当文件系统中的可用空闲区域少于用户要申请写入的区域时，逻辑转换层启动垃圾回收；垃圾回收方式为，逻辑转换层统计各物理sector中垃圾区域的数量，根据垃圾区域的多少依次对物理sector进行回收；对于某个待回收的物理sector,逻辑转换层启用回收中转区的物理sector空闲区域，将待回收物理sector中的有用区域以单个区域为单位拷贝到回收中转区保留的空闲区域中；同时更新映射表重新建立映射，垃圾回收之后的空闲区域除作为新的回收中转区外，其余部分全部释放供重新申请。
机顶盒中Flash文件系统的设计与实现
《 中国有线 电视 ） ０６年第 ０ ） ０ ２ ７期
和均衡 控制 等功能 ， 主要有 以下几 个特点 ： （） １ 动态 映射 逻 辑 扇 区 到物 理 地 址 ， 有 物 理 块 所 进 行 使用 均 衡 ， 让某 些单 元 过 于频 繁使用 ， 而延 长 不 从
越 来越多 ， 常作为存储程序与用户数据的主要介质 ， 但
Ｆａｈ存 储器 本 身具有 一 些独 特 的性 质 ， ｌ ｓ 加上 机 顶盒 系 统对存 储 文件 的要 求 ， 因此 必 须 设 计 与之 对 应 的文 件
一
很大不同 ，ｌ ｈ Ｆａ 存储器的写操作一般需要经过“ 除 ｓ 擦
写入” 两个操 作 过程 ， 简单 地 说 ，写 入 ” 将 对应 的 “ 是 存 储 位 由“ ” 为 “ ” “ 除 ” １变 ０ ，擦 则是 由“ ” 为 “ ” 而 ０变 １， 擦 除操 作 一次 只能 针 对 一个 扇 区 （ ｅｔｒ本 文 中一 个 Ｓｃ ， ｏ
ｉ ｅ ｉｎ ｄ Ｃｏ ｃ ｒ ｅ ｔ ｈ ｏｔ ｒ ｎ ａ ｄ ｒ ｎｖｒ ｎ ｎ ｆｓ ｔｔｐ ｂ ｘ，ｔｅ ｆｌ ｙ ｔｍ ｓｏ ｔ ｚ ｄ ｓｄ ｓｇ ｅ ． ｎ ｅ ｎ ｄ ｗｉｈ ｔ ｅ ｓ ｆ ｗａ ｅ ａ ｄ ｈ ｗａ ｅ ｅ ｉｏ ｍｅ ｔｏ ｅ －ｏ ｏ ｒ ｈ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ｐ ｉ ｅ ｉ ｍｉ ｆ ｒｇ ｏ ｉ ｔｉ ｂ ｌｔ ｎ ｒ ｎ ｐ ａ ａ ｉｎ，ｔ ｅ ｗａ ｏ ｉ ｏ ｏ ｄ ｍａｎ ａｎａ ｉｉｙａ ｄ ｔａ ｓ ｌｎｔｔｏ ｈ ｙ ｔ ｍｐｒ ｖ ｈ ｅ ｉｂ ｌｔ ｎ ｅ ｖｃ ｉｅｉ ｅ ａ ｓ ｉ。 ｏ ｅ ｔ ｅ ｒ ｌ ｉｉｙａ ｄ ｓ ｒ ｉｅ ｌｆ ｔ ａ ｍｅａ ｌｏ ｄ ｓ ｒ
口ＺＨＡ ＮＧ ，Ｗ ＡＮ Ｈｏ ｇｙ ａ Ｙｉ Ｇ ｎ －ｕ ｎ
flash储存技术
5 总结和展望
5.1 总结
本文对目前Flash存储技术的研究现状进行了全面而又深入的总结 ，包括Flash的存储特性介绍以及设计和实现高效、高可靠性、低 能耗Flash存储系统所涉及的几个关键技术。 与传统的磁盘存储相比具有的优点 有望显著提高存储系统的性能，降低能耗。 需要重点解决的问题 一是如何让设计新的硬件和软件体系结构，以充分利用Flash存储 器的特性，达到最优的性能价格比。二是如何进一步提高Flash存 储器的随机写性能，降低Flash存储器的垃圾回收开销。要完善解 决这两个问题需要采用系统的方法，综合考虑硬件、设备驱动以及 上层软件中数据结构与算法的设计与实现。
2 Flash存储器 存储器
2.1 Flash存储器介绍
Flash存储器的分类
AND、NAND、NOR、NiNOR，目前占据主流市场主要有NOR Flash和 NAND Flash
两者性能比较
NOR Flash和NAND Flash都将存储单元组织为块阵列。NOR Flash以 并行的方式连接存储单元、地址线和数据线，具有较快的读速度，能够提供 片上执行的功能写操作和擦除操作时间长、容量低、价格高，主要用于手机 和BIOS芯片以及嵌入式系统中进行代码存储。 NAND Flash以串行的方式连接存储单元，复用端口分时传输控制、地 址和数据信号，由I/O控制器为主机提供接口。它的读取速度较慢，但写操作 和擦除操作比前者较快，容量大，价格低，主要用于数码相机、MP3、优盘 、笔记本电脑中数据存储。
4 Flash存储关键技术 存储关键技术
4.1 地址映射
地址映射机制建立逻辑地址和Flash存储器的物理地址之间的映射 关系。 4.1.1 基于页的地址映射
在基于页的地址映射机制中，地址映射表以页为粒度，包含的表项数与 Flash存储器的页数相同。但由于所需的RAM空间较大，因此提出了另一种 新机制。
嵌入式设备NAND Flash存储系统的设计与实现
比如Ｅ Ｔ 、 Ｘ ２ Ｆ Ｔ ２等文件系统， Ｘ ３ Ｅ Ｔ 、Ａ ３ 由于我 们在接下来 的块
设 备 层 中 实 现 了 闪存 翻 译 层 （Ｔ ）所 以文 件 系 统 可 以采 用 任 Ｆ Ｌ， 何 通 用 的 文 件 系 统 ， 不 需 要 采 用 特 殊 的针 对 Ｎ Ｎ ｌ ｈ 而 Ａ ＤＦａ 的 ｓ 文件 系 统 ， 比如 Ｊ Ｆ ２等 ，块 设 备 驱 动 层 ， 主 要 实 现 统 一 的 ＦＳ Ｌｎｘ 设 备 驱 动 ， 要 完 成 块 设 备 注册 、 义 块 设 备 操 作 、 ｉ 块 ｕ 主 定 请
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｅｏ ｏ ａ ｅｓ ｓｅ ｉ ｍｂ ｄ ｅ ｅ ｉｅ ｔ ｅ ｓｒ ｃ ： ｏｄ ｖ ｌｐ ａ ｔｒ ｇ ｔｍ ｅ ｅ ｄ ｄｄ ｖ ｃ ， ｈ ｓ ｙ ｎ ＮＡＮＤ ｌ ｓ ａ ｄ ｌ ｓ ｄｌｒ ｅ ｃ ｐ ｃｔ ｏ ａ ｅｄ ｖ ｃ ｕ ｉ ｄ Ｆ ａ ｈｔ ｔ ｗｉ ｅｙｕ ｅ ｇ － ａ ａ ｉ ｓ ｒ ｇ ｅ ｉ ｅ ｓ ｔ ｄ ｅ ． ｈ ａ ａ ｙｔ ｉｓ Ａ ｅ ｉｎ ｏ ＮＡＮＤ ｌｓ ｏ ａ ｅｓ ｓｅ ｆ ｒ ｍｂ ｄ ｅ ｅ ｉ ｅ ｔ ｄ ｃ ｄ ｎ ｓ ｕ ｃ ｉｎ ｎ ｏ ｓｉ ｔ ｒ ｒ ｐ ｓ ｄ ｈ ａ ｔ ｕ ａ ｄ ｓ ｆ ｇ Ｆ ａ ｈｓ ｒ ｇ ｙ ｔｍ ｔ ｏ ｅ ｅ ｄ ｄｄ ｖ ｃ ｓ ｓ ｎ ｒ ｕ ｅ ，ａ ｄ ｉ ｎ ｔ ｓ ｄｃ ｎ ｔ ｅ ｅｐ ｏ ｏ ｅ ．Ｔ ｅ ｒｉ ｌｒ ｉｉ ｏ ｔｆ ｏ ａ ｕ ｔ ａ ｐ ｃ ｄ ｓｇ ｘ ｌｉ ｅ ｉ ｒｒ ｈｃ ｌ ． Ｔ ｅ ｓ ｅ ｉｌ ｌ ｃ ｒｖ ｒ Ｆ Ｌ ｄ ｓｇ ｎ ｅｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｏ ｒ ｅ ｉ ａｉ ａｉ ｎ ａ ｅ ｌｉ ｅａ ｌ ｅ ｉ ｉ ｅ ｐ ａｎ ｄ ｈ ｅ ａｃ ｉａ ｌ ｎ ｓ ｙ ｈ ｐ ｃ ａ ｏ ｋ ｄ ｉ ｅ ， Ｔ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｔ ｐ ｉ ａ ｉ ｆ ｉ ｒｉ ｔ ｌ ｔ ｒ ｄ ｉ ｄ ｔ ｉ ｂ ｈ ｍｉ ｏ ｄ ｖ ｎ ｉ ｚ ｏ ａ ｎ ． Ａ ｔ ｏ ｆ ｅ ｌ ｉ ｇＮＡＮＤ ｌｓ ｔｒ ｇ ｙ ｔ ｍ ｅ ｉ ｅｄ ｉ ｅ ｓｉ ｐ ｏ ｉ ｅ ． Ｆ ｎ ｌ ， ｔ ｅ ｅ ｃ ｌ ｎ ｆｅ ｔ ｓｉ ｕ ｎ ｔ ｄ ｍｅ ｈ ｄｏ ｒ ａｉ ｎ ｚ Ｆ ａ ｈ ｓｏ ａ ｅｓ ｓｅ ｄ ｖ ｃ ｒｖ ｒ ｒ ｖ ｄ ｄ ｓ ｉ ａｌ ｙ ｈ ｘ ｅｌ ｔ ｅ ｅ ｃ ｌｍｉ ａ ｅ ． ｉ ｌ
基于Flash的嵌入式文件系统设计与实现
所 示 的 体 系结 构 。 由图 １可 以看 出 ， 该文 件 系 统从 底 层 向上 主要 分成两大部分： 存储 空 间 的管 理 和 文件 的管 理 。 １ 存 储 空 间管 理 ． ２
存 储 空 间 管 理 的 主 要 功 能 是 针 对 Ｆａ ｈ 自身 的 物 理 特性 ， ｌｓ 利用一些特定的算法来提高 Ｆ ｓ ｌ ｈ的 使 用 效 率 ，加 快操 作 速 度 ａ 和管理 Ｆ ｓ ｌ ｈ各 单 元 的使 用 频 率 。 ｌｓ ａ Ｆａ ｈ存 储 器 在组 织 上 制 ， 收无 效 内容 占用 的空 间 。 回 为 了使 文 件 系 统 结构 清楚 ，便 于维 护 和 移 植 设 计 了如 图 １
序 的 管 理 ， 通 用计 算 机 系 统 中的 文 件 系 统 相 比 ， 具 有 结 构 简 与 它 单 、 理 文 件 形 式单 一 、 码 小 、 业 性 强 等 特 点 。 Ｆ ｓ 管 代 专 ｌ ｈ存储 器 ａ
关 键 词 ：ｌｓ Ｆａ ｈ存 储 器 ， 入 式 系统 ， 嵌 嵌入 式 文件 系统 ， Ｃ ＯＳ ｌ Ｉ ／ —ｌ ￣
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒｃ Ａｃ ｏｒ ｎ ｔ ｔ ｅ ｆ ａ ｕ ｅ ｆ ｆ ｈ ｃ ｄｉｇ ｏ ｈ ｅ ｔ ｒ ｓ ｏ ｌ ｍ ｅ ｏｙ， ａｓ ｍ ｒ ａ ｅｍｂｅｄ ｄ ｉ ｓ ｓｅ ｄｅ ｆｅ ｙ ｔ ｍ Ｓｕｔ ｅ ｏｒ ｕ ｅ ｉａ ｃｏ ｔｏｌｓ ｓ ｅ ｌ ｉ ａｂｌ ｆ ｎ ｍ ｒｃ ｌ ｎ ｒ ｙ ｔ ｍ ｉ ｄｅ ｉ ｅ ｓ ｓｇｎ ｄ． ａｎ ｉ ｐｌ ｄ ｍ ｅｍｅ ｔ ｄ ｎ ｈ ｅ ｂ ｎ ｅ ｉ ｔ ｅ ｍ ｅｄｄ ｏ ｅｄ ｐｅｒｔ ｇ ｓ ｓｅ ａｉ ｎ ｙ ｔｍ ｐＣ／ ， ＯＳ一 Ｔｈ Ｆｉ ｓ ｔ ｍ ｉ ｃｈ ｒ ｃ ｅ ｉｅｄ ｅ ｌ ｙｓｅ ｅ ｓ ａａ ｔｒ ｚ ｂｙ ｅｐｌｔ ｏ ｂａａ ｃｅ ｄ ｅｉ ｏｎ ｆ ｌｎ ． ｇａｒ ｇｅ ｏｌ ｃ ｉ ， ｗｅ ｆ ｌｒ ｒｃｏ ｅ ｙｍ ｕｔ－ｔｓ ｓ ｐｐ ｔＩ Ｓ ｏｄ ｉ ｓｍｐｌ， ｅ ｐ ｅ ｓ ｙ ｔ ｂａ ｃ ｌ ｔ ｅ ｏｎｐｏ ｒ ａｉ ｅ ｅ ｖ ｒ ， ｌ ａ ｋ ｕ ｏｒ． ｃ ｅ ｓ ｉ ｕ ｉ ｔ ｅｔ ｕ ｌｓ ｓ ｓｅｍ ｒｓ ｒ ｅ ｈｇｈ ｆｉ ｅｎ ａｋ ｅ ｏｕ ｃ ｓ。ｉ ｅ ｃｉ — ｃｙｈｉ ｓ ｆ ｙ ａ ｅｉ ｌｙＩ ｈａ ａ ｃ ｔ ｉ ｕ ｖ ｒ ａｉ ｅｎ ｓ Ｆａｓ ａ ｈ ｓｏｒ ｅ ， ｇｈ ａｅｔ ｎｄ ｒ ｌ ａｂｉ ． ｓ ｅｒａｎ ｎｉｅ ｓ ｌｙ ｗｈ ｕ ｅ ｌ ｈ ｓ ｔ ｅ ｔ ａｇ ｍｅｄｕ ｉ ｔ ｔ ｔ ｉｍ ｉ ｔｅ ｅｍｂｅ ｎ ｈ ｄｄｅ ｓ ｓｅ ． ｄ ｙ ｔｍ Ｋｅ ｗｏｒｓ： ａｓ ｍ ｅ ｙ ｄ Ｆｌ ｈ ｍ０ｒ ｅ ｂ ｄｅ ｓ ｓｅ ， ｙ，ｍ ｅｄ ｄ ｙ ｔｍ ｅｍｂｅ ｄｄｅ ｆｅ ｙ ｔ ｍ ，， ｄ ｉ ｓ ｓ ｅ ｐＣ／ＯＳ一『 ｌ Ｉ
嵌入式系统中flash存储管理
嵌入式系统中的Flash存储管理文章作者：北京方岳科技有限公司陈峰北京航天信息股份有限公司君寒文章出处：单片机及嵌入式系统应用摘要：以TRI公司的基于NOR Flash的Flash管理软件FMM为例，详细介绍嵌入式系统中如何根据Flash的物理特性来进行Flash存储管理。
关键词：嵌入式系统 Flash FMM引言在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后PC（Post-PC）时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文件艺术、娱乐业以及人们的日常生活等方方面面中。
随着嵌入式系统越来越广泛的应用，嵌入式系统中的数据存储和数据管理已经成为一个重要的课题摆在设计人员面前。
Flash存储器作为一种安全、快速的存储体，具有体积小、容量大、成本低、掉电数据不丢失等一系列优点。
目前已经逐步取代其它半导体存储元件，成为嵌入式系统中主要数据和程序载体。
作为嵌入式系统的一部分，Flash存储管理的主要功能是针对Flash自身的物理特性，利用一些特定的算法来提高Flash的使用效率，加快操作速度和管理Flash各单元的使用频率。
1 Flash存储器简介嵌入式系统中使用的Flash主要分为NOR和NAND两种类型。
这里我们以NOR型Flash为例进行介绍。
NOR型Flash主要特点如下：*体积小、容量大，目前可以达到十几MB。
*掉电数据不丢失，数据可以保存10～100年。
*有独立的地址和数据总线，可以快速地通过总线读取数据。
因此它具有和静态RAM相同的读取速度，既可以作为数据存储器也可以作为程序存储器使用。
*写入操作必须通过指令序列来完成，以字节（Byte）或字（Word）为单位，每写入一个Byte或Word需十几μs。
*擦除也通过指令序列完成，以块（Block）为单位，通常块的大小为64K。
每擦除一个块需要十几ms。
*由于Flash有一定的使用寿命，一般为10～100万次。
所以随着使用次数的增加，会有一些单元逐渐变得不稳定或失效，因此必须能够对其状态加以识别。
嵌入式Flash文件系统的设计与实现
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１ 引言
随着嵌入 式计算机技术 的快速发展 ，各种应 用对 存储设备 的要求也越来越高。嵌入式计算机 系统 由于 受成本 、功耗、体积等 因素 的影响而普遍采用大容量
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1
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
性。如果通过灵活的校验机制与坏块管理，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。 便携式消费电子设备对 Flash 存储器的需求与日俱增， 产品的更新换代以及 Flash 自 身容量的增长速度都越来越快。对于最终产品的开发人员来说，他们希望在采用新类型 的 Flash 存储器时不需要更新产品设计方案、控制器和接口等，以便更快地推出规格升 级的产品。所以，Flash 文件系统和存储管理技术的设计思路和相关算法，对缩短上层 应用开发周期，提高存储可靠性，延长 Flash 存储器的使用寿命等有很大意义。
Keywords: NAND Flash, Flash File System, Flash Translation Layer, Wear-leveling
II
பைடு நூலகம்
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
关键词： NAND Flash Flash 文件系统
闪存转换层
损耗均衡
I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract
Nowadays, f lash memory is prevailing in many mobile devices such as MP3 players, flash memory cards, cell phones and PDAs due to its non- volatility, solid-state reliability, small and lightweight package, low-power consumption, etc. Common file systems can not be directly applied to flash memory, so the Flash Translation Layer (FTL) should be designed to allow file system to read and write to flash memory device in the same way as disk drive. Aiming at the widely used NAND flash memory, a FTL is designed and implemented, so the FAT file system is created on NAND flash. Specially, the NAND flash memory storage management issues are deeply researched, including address mapping, wear- leveling algorithm, garbage collection policy, power-off recovery, bad block management, and so on. As well as much more emphases are taken on the problem of identifying user and data security, encrypted-storage mecha nism is designed and implemented. Additionally, this paper proposes layered software architecture of flash memory storage management and intends to research and develop a software module for NAND Flash memory, which is obtained application in the actual product. The following achievements are made in this dissertation: (1) The architecture of flash file system and its implementation form are deeply researched. (2) A NFTL mapping scheme is designed and deeply analyzed for large capacity NAND Flash. (3) Wear-leveling algorithm and garbage collection policy are researched for better system performance and longer flash memory lifespan. (4) Power-off recovery mechanism and bad block management are designed for system higher reliability. (5) Research and impleme ntation of flash memory s torage encryption, including user identification and data encryption.
1.2 课题来源
本课题来源于武汉天喻信息产业股份有限公司加密 Ｋｅｙ 盘项目组的一个子项目。根 据市场调研， 用户需要能够提供大容量存储设备， 同时能够为存储的数据提供安全保护， 防止存储设备丢失或非法窃取造成私密数据被窃取。天喻公司在 USB Key 的基础上提 出了将 USB Key 的安全性与 U 盘的大容量存储的特性结合起来的项目，并将产品命名 为加密 Key 盘。该产品整合 USB Key 的安全特性与 U 盘的大容量存储特性，并将 USB Key 的安全特性扩展到外部的大容量存储芯片中， 提供对大容量数据芯片级的安全保护， 以满足市场上对大容量安全存储设备的需求。 天喻加密 Ｋｅｙ 盘采用 NAND Flash 作为大容量数据存储器，由于 NAND Flash 的固 有特点， 访问接口与磁盘不同， 数据管理比较复杂， FAT 文件系统不能直接应用于 NAND Flash， 而且没有驱动程序可以直接让 NAND Flash 采用 FAT 文件系统。 所以如何在 Flash 上创建 FAT 文件系统，方便与主机交换和共享数据；如何管理 Flash 存储空间，提高使 用性能并延长 Flash 使用寿命，是该项目必须解决的问题之一。目前仅有少数 Flash 芯 片供应商和 Flash 控制器供应商有自己的解决方案，如 SanDisk、Netac 等，天喻加密 Key 盘项目组希望自主研发 NAND Flash 存储管理技术的解决方案。本文作为该项目的 一个子课题，研究内容主要围绕 Flash 文件系统及 NAND Flash 的存储管理技术展开， 分析使用 NAND Flash 作为存储设备，建立 Flash 文件系统需要解决的问题。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
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华中科技大学 硕士学位论文 Flash文件系统及存储管理技术研究与实现 姓名：董永帅 申请学位级别：硕士 专业：工业工程 指导教师：王同洋 20080529
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要
Flash 存储器由于具有存储容量大、 体积小、 掉电数据不丢失以及可多次擦写等优点， 已逐步取代其它半导体存储器件而广泛应用于 MP3、存储卡、手机、PDA 等移动电子 产品中。通用文件系统不能直接应用于 Flash 存储器，需要通过闪存转换层将 Flash 模 拟为一个磁盘设备。 本文针对目前广泛应用的 NAND Flash 存储器， 通过在 Flash 控制器固件中设计并实 现闪存转换层将 Flash 存储器模拟为磁盘设备，进而在 NAND Flash 上建立性能稳定的 FAT 文件系统。论文分析了 Flash 文件系统的结构及实现形式，深入研究了 NAND Flash 存储管理技术，包括地址映射、损耗均衡算法、垃圾回收策略、坏块管理、掉电保护及 加密存储，并提出将 Flash 存储管理技术分层实现的软件结构，旨在研究和开发一套实 用的可用于加密存储的 NAND Flash 存储管理模块，并在实际产品中得到应用。 论文所做的主要工作包括以下几个方面： （1）研究了 Flash 文件系统的结构及实现 形式。 （2）设计了适用于大容量 NAND Flash 的 NFTL 块映射机制。 （3）研究损耗均衡 算法和垃圾回收策略，提出基于阈值控制的损耗均衡算法设计，提高 NAND Flash 使用 寿命。 （4）设计 NAND Flash 掉电保护及坏块管理机制，提高存储可靠性。 （5）研究并 实现了闪存设备的加密存储，给出了基于密码认证的加密存储设计，将存储空间划分为 普通区和加密区，使用加密区存储加密文件。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论
1.1 研究背景
互联网时代越来越多的数据需要人们随时随地存储和使用，在这种需求下，移动存 储器在 2001 年进入了市场。最先出现的是移动硬盘，以其容量大、移动存储方便的特 点得到了行业用户的认可。但是，对于更多的个人用户来说，后来上市的 Flash 存储器 才真正引领移动存储革命进入高潮。Flash 存储器作为一种低成本、高集成度的存储设 备在电子产品领域获得非常广泛的应用，Flash 存储器市场在移动电话、数码相机、移 动存储器、MP3 和数码摄像机等的带动下高速增长，预计未来几年，Flash 存储器市场 将以超过 20%的增长速度高速增长，并在 2009 年达到 759.4 亿元[1]。 Flash 存储器是一种基于半导体技术的非易失性存储器（Non-Volatile Memory） ，具 有功耗低，容量大，体积小，重量轻，访问速度高，无机械故障等优点，已逐步取代其 它半导体存储器件而广泛应用于移动电子产品中。随着制造工艺的提高，Flash 存储器 的容量和可靠性都在飞速提升。 三星公司 2006 年 9 月开发出基于 40 纳米设计原理的 32G NAND Flash，所采用的 CTF 技术将改进制造流程，促进基于 20 纳米设计原理的 256G NAND Flash 问世[2]。 在嵌入式系统中应用 Flash 存储器的最好办法是在其上构造一个文件系统，对 Flash 存储器中的数据内容进行基于文件代号的存储管理，同时对于 Flash 存储器本身的坏块 进行透明的坏块管理。但 PC 中使用的文件系统，如 DOS 下的 FAT 文件系统、Windows 下的 NTFS 文件系统等， 并不适合直接移植到 Flash存储器中， 主要有以下 3 个原因[3][4][5]： （1）Flash 存储器多用于嵌入式系统，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 的存储器造成灾难性的影响，通用文件系统 采用大量的缓存技术来提高文件系统的可靠性，而嵌入式系统由于资源有限而不能通过 缓存技术来提高可靠性。 （2）通用文件系统的某些记录信息，如 FAT 表、日志文件、曲目数据库等需要被 频繁改写，这些记录信息如果存放在固定的 Flash 块中，将导致该块的频繁擦写而提前 损坏，影响整个 Flash 存储器的使用。 （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