IO軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1、引言

　　隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)復(fù)雜性也在不斷提高。閃存作為廣泛使用的嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備，其管理技術(shù)和訪問方式經(jīng)歷了一個(gè)由開發(fā)員直接控制到由操作系統(tǒng)的I/O軟件間接控制的過程。然而目前現(xiàn)有的這些閃存管理方案都不能提供一種方便、統(tǒng)一且移植性好的I/O軟件接口，增加了嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)周期。因此，本文旨在針對(duì)一般的嵌入式應(yīng)用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種更合理的閃存I/O軟件。該軟件遵循策略與機(jī)制分離的原則，采用分層的體系結(jié)構(gòu)，能夠更好得適應(yīng)底層硬件的變化，可大大提高代碼的可移植性。

　　2、閃存設(shè)備管理技術(shù)的現(xiàn)狀及存在的問題

　　閃存設(shè)備不同于一般的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備，它有很多特殊的存取特性，其中最主要的在執(zhí)行寫入操作之前必須先擦除目標(biāo)單元的內(nèi)容[1]。因此，閃存設(shè)備的管理最基本也應(yīng)該包含對(duì)讀、寫操作以及擦除操作的控制。

　　而對(duì)于那些配置了操作系統(tǒng)的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)(例如嵌入式Linux系統(tǒng))，閃存設(shè)備的管理則主要是通過操作系統(tǒng)中的I/O軟件來實(shí)現(xiàn)。該I/O軟件遵循Linux通用設(shè)備的管理方法[3]，實(shí)現(xiàn)了字符訪問與塊訪問的接口，為應(yīng)用程序訪問閃存提供了一個(gè)通用接口。但問題是，該方案在設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)時(shí)沒有很好地遵循策略與機(jī)制分離的原則，從而使得軟件結(jié)構(gòu)的層次不夠分明，模塊化程度不高。

　　另外，在嵌入式Linux系統(tǒng)中還有一種與使用閃存相關(guān)的技術(shù)，即Ramdisk[4]技術(shù)。準(zhǔn)確地說，該技術(shù)不涉及閃存的管理問題，而是一種通過將計(jì)算機(jī)的 RAM 用作設(shè)備來創(chuàng)建和掛裝文件系統(tǒng)的機(jī)制。本文在此提及該技術(shù)的原因是它能夠幫助只含閃存和RAM的嵌入式系統(tǒng)使用文件系統(tǒng)(主要指ext2fs類型)，并且該技術(shù)的存在大大降低了嵌入式系統(tǒng)對(duì)閃存的訪問操作，從而簡化了系統(tǒng)對(duì)閃存的管理。但是，由于Ramdisk技術(shù)不能直接在閃存上使用文件系統(tǒng)，使得修改后的數(shù)據(jù)不能立刻保存到閃存中，所以在系統(tǒng)異常時(shí)容易造成數(shù)據(jù)的丟失。

　　接著閃存設(shè)備層代碼在低層軟件分區(qū)的基礎(chǔ)上，用字符設(shè)備和塊設(shè)備兩種方式來使用閃存原始設(shè)備。具體說，該層主要實(shí)現(xiàn)字符設(shè)備與塊設(shè)備的通用接口例程，即文件操作的通用方法，如打開、關(guān)閉、定位、讀、寫等。

　　最后，閃存設(shè)備節(jié)點(diǎn)層是為了方便應(yīng)用程序以文件形式訪問閃存設(shè)備而創(chuàng)建的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。它的實(shí)現(xiàn)并不

　　需要軟件代碼。

　　4、閃存設(shè)備I/O軟件的實(shí)現(xiàn)

　　嵌入式開發(fā)一般都采用主機(jī)與目標(biāo)板相結(jié)合的交叉開發(fā)方式。因此我們的目標(biāo)板采用的是Motorola公司基于PowerPC860T處理器的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備開發(fā)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(chǔ)器，其中閃存采用的是兩片Intel TE28F160B3T的芯片。主機(jī)是一臺(tái)運(yùn)行Redhat 7.2 的PC機(jī)，該主機(jī)上還安裝有Montavista 嵌入式Linux(以下簡稱MVL)作為實(shí)現(xiàn)閃存I/O軟件的載體。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

　　(1) 硬件驅(qū)動(dòng)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(shè)備，不能夠被清晰地劃分為幾個(gè)不同用途的端口寄存器;該接口只包括了幾條控制信號(hào)線，一組數(shù)據(jù)線和一組地址線。這樣一來，閃存的數(shù)據(jù)讀寫操作以及命令寫入和狀態(tài)查詢操作都需要在同一組數(shù)據(jù)線上進(jìn)行。同時(shí)由于完備的地址線能夠讓系統(tǒng)對(duì)芯片內(nèi)的每個(gè)字節(jié)進(jìn)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(shí)現(xiàn)的。因此我們的系統(tǒng)在遵循各種操作的特定指令序列[6]基礎(chǔ)上，結(jié)合特定芯片的物理信息(保存在專用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct cfi_private中)實(shí)現(xiàn)了閃存的讀、寫、擦除和同步操作。

　　(2)原始設(shè)備層

　　原始設(shè)備層的主要功能是在硬件基礎(chǔ)上把閃存芯片抽象為設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，系統(tǒng)首先要把所有的閃存芯片抽象為一個(gè)閃存主原始設(shè)備，然后再根據(jù)用戶的分區(qū)劃分要求(通過管理配置模塊獲得)把主原始設(shè)備從軟件上劃分為多個(gè)分區(qū)設(shè)備。這樣一來，分區(qū)設(shè)備的大部分參數(shù)信息實(shí)際上都來自于主原始設(shè)備，并且分區(qū)設(shè)備的操作函數(shù)也都來自于主原始設(shè)備的操作函數(shù)。而這些操作的實(shí)現(xiàn)是通過調(diào)用底層的基本操作完成的。

　　(3)設(shè)備層

　　閃存設(shè)備層主要用來實(shí)現(xiàn)字符設(shè)備與塊設(shè)備的通用接口例程，其中字符設(shè)備的各種操作都比較容易實(shí)現(xiàn)。這里我們著重介紹一下塊設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。在Linux中，由于塊設(shè)備的讀寫請(qǐng)求都是基于扇區(qū)(512字節(jié))的，而閃存設(shè)備卻不存在物理上的扇區(qū)結(jié)構(gòu)，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(jié)，這樣一來就存在一個(gè)如何把基于扇區(qū)的讀寫操作映射到適當(dāng)?shù)牟脸龎K上的問題。由于塊設(shè)備主要是為了支持在閃存上創(chuàng)建文件系統(tǒng)，所以該問題的解決我們就借用了JFFS文件系統(tǒng)中有關(guān)的設(shè)計(jì)思想(由于篇幅所限這里不詳述)。

　　5、系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析

　　(1)閃存I/O軟件可移植性的驗(yàn)證

　　從理論上講，只有硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層的一部分代碼是與設(shè)備相關(guān)的，而原始設(shè)備層和設(shè)備層代碼都是設(shè)備無關(guān)的。于是，我們得出如下(表1)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在新的I/O軟件實(shí)現(xiàn)方案下，閃存設(shè)備相關(guān)代碼為35KB，占總代碼量的24.1%;設(shè)備無關(guān)代碼為110KB，占總代碼量的75.9%。由此可見，我們的實(shí)現(xiàn)方案具有很好的移植性，能夠有效地提高嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)速度和質(zhì)量。

　　?　　(2)閃存I/O軟件有效性的驗(yàn)證

　　I/O軟件的一個(gè)重要性能指標(biāo)是設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐率。當(dāng)應(yīng)用程序訪問閃存設(shè)備文件時(shí)，由于每次讀/寫請(qǐng)求的數(shù)據(jù)度不同，使得設(shè)備的瞬時(shí)吞吐率也不同。由于我們的I/O系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閃存設(shè)備的兩種管理方式：字符設(shè)備和塊設(shè)備，因此下面我們首先針對(duì)字符設(shè)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(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)從閃存設(shè)備中讀取或?qū)懭胄K數(shù)據(jù)時(shí)，吞吐率會(huì)隨著請(qǐng)求數(shù)據(jù)長度的增加而增大;但是當(dāng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)長度超過某一臨界值時(shí)，讀/寫吞吐率近似都穩(wěn)定在一個(gè)固定值上。

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述規(guī)律，我們又按照33%的寫請(qǐng)求和67%的讀請(qǐng)求比例，對(duì)各種請(qǐng)求數(shù)據(jù)長度進(jìn)行了10次讀/寫混合操作測試，其結(jié)果如圖4所示。由此可看出，在請(qǐng)求數(shù)據(jù)長度大于512KB之后，讀寫混合的數(shù)據(jù)吞吐率穩(wěn)定在3.59MB/S上，這一結(jié)果與圖2和圖3所示結(jié)果完全一致。并且該吞吐率變化規(guī)律符合常見嵌入式應(yīng)用中閃存的讀、寫特性.