IO軟件的設計與實現

　　1、引言

　　隨著嵌入式系統應用領域的不斷擴大，系統復雜性也在不斷提高。閃存作為廣泛使用的嵌入式存儲設備，其管理技術和訪問方式經歷了一個由開發員直接控制到由操作系統的I/O軟件間接控制的過程。然而目前現有的這些閃存管理方案都不能提供一種方便、統一且移植性好的I/O軟件接口，增加了嵌入式產品的研發周期。因此，本文旨在針對一般的嵌入式應用，設計并實現一種更合理的閃存I/O軟件。該軟件遵循策略與機制分離的原則，采用分層的體系結構，能夠更好得適應底層硬件的變化，可大大提高代碼的可移植性。

　　2、閃存設備管理技術的現狀及存在的問題

　　閃存設備不同于一般的非易失性存儲設備，它有很多特殊的存取特性，其中最主要的在執行寫入操作之前必須先擦除目標單元的內容[1]。因此，閃存設備的管理最基本也應該包含對讀、寫操作以及擦除操作的控制。

　　而對于那些配置了操作系統的復雜嵌入式系統(例如嵌入式Linux系統)，閃存設備的管理則主要是通過操作系統中的I/O軟件來實現。該I/O軟件遵循Linux通用設備的管理方法[3]，實現了字符訪問與塊訪問的接口，為應用程序訪問閃存提供了一個通用接口。但問題是，該方案在設計軟件結構時沒有很好地遵循策略與機制分離的原則，從而使得軟件結構的層次不夠分明，模塊化程度不高。

　　另外，在嵌入式Linux系統中還有一種與使用閃存相關的技術，即Ramdisk[4]技術。準確地說，該技術不涉及閃存的管理問題，而是一種通過將計算機的 RAM 用作設備來創建和掛裝文件系統的機制。本文在此提及該技術的原因是它能夠幫助只含閃存和RAM的嵌入式系統使用文件系統(主要指ext2fs類型)，并且該技術的存在大大降低了嵌入式系統對閃存的訪問操作，從而簡化了系統對閃存的管理。但是，由于Ramdisk技術不能直接在閃存上使用文件系統，使得修改后的數據不能立刻保存到閃存中，所以在系統異常時容易造成數據的丟失。

　　接著閃存設備層代碼在低層軟件分區的基礎上，用字符設備和塊設備兩種方式來使用閃存原始設備。具體說，該層主要實現字符設備與塊設備的通用接口例程，即文件操作的通用方法，如打開、關閉、定位、讀、寫等。

　　最后，閃存設備節點層是為了方便應用程序以文件形式訪問閃存設備而創建的設備節點。它的實現并不

　　需要軟件代碼。

　　4、閃存設備I/O軟件的實現

　　嵌入式開發一般都采用主機與目標板相結合的交叉開發方式。因此我們的目標板采用的是Motorola公司基于PowerPC860T處理器的一個網絡通信設備開發板(以下簡稱為NE860)。NE860板上配備有4M NOR型閃存和16M RAM作為存儲器，其中閃存采用的是兩片Intel TE28F160B3T的芯片。主機是一臺運行Redhat 7.2 的PC機，該主機上還安裝有Montavista 嵌入式Linux(以下簡稱MVL)作為實現閃存I/O軟件的載體。具體實現過程如下：

　　(1) 硬件驅動層

　　由于NOR型閃存芯片的接口不同與一般基于端口的外部設備，不能夠被清晰地劃分為幾個不同用途的端口寄存器;該接口只包括了幾條控制信號線，一組數據線和一組地址線。這樣一來，閃存的數據讀寫操作以及命令寫入和狀態查詢操作都需要在同一組數據線上進行。同時由于完備的地址線能夠讓系統對芯片內的每個字節進行尋址，于是閃存的擦除、寫入等基本操作就可以通過向特定地址寫入特定命令序列[6]的方式來實現的。因此我們的系統在遵循各種操作的特定指令序列[6]基礎上，結合特定芯片的物理信息(保存在專用數據結構struct cfi_private中)實現了閃存的讀、寫、擦除和同步操作。

　　(2)原始設備層

　　原始設備層的主要功能是在硬件基礎上把閃存芯片抽象為設備。為了實現這一目標，系統首先要把所有的閃存芯片抽象為一個閃存主原始設備，然后再根據用戶的分區劃分要求(通過管理配置模塊獲得)把主原始設備從軟件上劃分為多個分區設備。這樣一來，分區設備的大部分參數信息實際上都來自于主原始設備，并且分區設備的操作函數也都來自于主原始設備的操作函數。而這些操作的實現是通過調用底層的基本操作完成的。

　　(3)設備層

　　閃存設備層主要用來實現字符設備與塊設備的通用接口例程，其中字符設備的各種操作都比較容易實現。這里我們著重介紹一下塊設備的實現。在Linux中，由于塊設備的讀寫請求都是基于扇區(512字節)的，而閃存設備卻不存在物理上的扇區結構，只有擦出塊的概念。況且在通常情況下擦除塊的尺寸都小于512字節，這樣一來就存在一個如何把基于扇區的讀寫操作映射到適當的擦除塊上的問題。由于塊設備主要是為了支持在閃存上創建文件系統，所以該問題的解決我們就借用了JFFS文件系統中有關的設計思想(由于篇幅所限這里不詳述)。

　　5、系統測試及數據分析

　　(1)閃存I/O軟件可移植性的驗證

　　從理論上講，只有硬件設備驅動層的一部分代碼是與設備相關的，而原始設備層和設備層代碼都是設備無關的。于是，我們得出如下(表1)的統計結果。在新的I/O軟件實現方案下，閃存設備相關代碼為35KB，占總代碼量的24.1%;設備無關代碼為110KB，占總代碼量的75.9%。由此可見，我們的實現方案具有很好的移植性，能夠有效地提高嵌入式產品的開發速度和質量。

　　?　　(2)閃存I/O軟件有效性的驗證

　　I/O軟件的一個重要性能指標是設備的數據吞吐率。當應用程序訪問閃存設備文件時，由于每次讀/寫請求的數據度不同，使得設備的瞬時吞吐率也不同。由于我們的I/O系統實現了閃存設備的兩種管理方式：字符設備和塊設備，因此下面我們首先針對字符設備方式測試它的讀/寫吞吐率(見圖2 和圖3)。

　　通過分析圖2、圖3的數據我們發現，當系統從閃存設備中讀取或寫入小塊數據時，吞吐率會隨著請求數據長度的增加而增大;但是當請求數據長度超過某一臨界值時，讀/寫吞吐率近似都穩定在一個固定值上。

　　為了進一步驗證上述規律，我們又按照33%的寫請求和67%的讀請求比例，對各種請求數據長度進行了10次讀/寫混合操作測試，其結果如圖4所示。由此可看出，在請求數據長度大于512KB之后，讀寫混合的數據吞吐率穩定在3.59MB/S上，這一結果與圖2和圖3所示結果完全一致。并且該吞吐率變化規律符合常見嵌入式應用中閃存的讀、寫特性.