CN100462944C - 基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据掉电保护方法，尤其涉及一种基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法。通过在存储区中增加两个以上备份块，并在原有逻辑块号的基础上，增加逻辑块的状态标识位，包括跨块数据的掉电安全改写过程和上电后数据恢复过程。本发明通过增加两个以上备份块，保证了在同时改写多个数据块的过程中，掉电发生时数据不易丢失，很大程度的提高了数据存储的可靠性及安全性，并且有效避免了频繁擦写某一块擦写块，从而提高了Flash存储器使用寿命。

Description

基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法

技术领域

本发明涉及一种数据掉电保护方法，尤其涉及一种基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法。

背景技术

随着存储设备的迅速发展和广泛应用，大量需要一种能够实现多次编程、容量大，读写、擦除快捷、方便、简单，外围器件少、价格低廉的存储器件。闪存(Flash Memory)存储介质就是在这种需求下应运而生的。闪存是基于半导体的存储器，具有系统掉电后仍可保留内部信息，及在线擦写等功能特点，是一种替代EEPROM存储介质的新型存储器。由于它的读写速度比EEPROM更快，在相同容量的情况下成本更低，因此目前以闪存(Flash存储器)构成的存储卡正逐渐取代软磁盘，并被大量用于便携式计算机、数码相机、MP3、MP4播放器等设备中。

非易失性存储器指掉电后在相当长时间内依然能有效保存数据的存储器，如EEPROM，EPROM，Flash等。基于Flash存储器具有非易失的特点，其常在信息安全设备中作为固件程序或数据的载体。信息安全设备是一种带有处理器和存储器的小型硬件装置，它可通过计算机的数据通讯接口与计算机连接，具有密钥生成功能，并可安全存储密钥，可预置加密算法功能。智能密钥装置与密钥相关的运算完全在装置内部运行，且智能密钥装置具有抗攻击的特性，安全性极高。闪存区别于其它存储介质的特性主要有以下几个：

1)Flash存储器的最小寻址单位是字节，而不是磁盘上的扇区。这意味着可以从一块闪存的任意偏移读数据，但并不表明对闪存擦写操作也是以字节为单位进行的。

2)当一块Flash存储区处在干净的状态时(被擦除过，但是还没有写操作发生)，在这块Flash上的每一位都是逻辑1。

3)Flash存储器上的每一位可以被写操作置成逻辑0。可是把逻辑0置成逻辑1却不能按位来操作，而只能按擦写块为单位进行擦写操作。在一个擦写块中进行存储时，一旦对某一擦写块中的某一位写0，再要改变成1，则必须先对整个块进行擦除，然后才能修改。从上层来看，擦写所完成的功能就是把擦写块内的每一位都重设置成逻辑1。

现有技术中，Flash存储器上的每一位除了可以直接通过写操作被置成逻辑0外，也存在着每一位可直接通过写操作被置成逻辑1的情况。这种Flash存储器的特性与上述特性3)恰恰相反，即把逻辑1置成逻辑0不能按位来操作，而只能按擦写块为单位进行擦写操作，在一个擦写块中进行存储时，一旦对某一擦写块中的某一位写1，再要改变成0，则必须先对整个块进行擦除，然后才能修改，因此，在这种特殊Flash存储器中，写操作所完成的功能就是把擦写块内的每一位都重设置成逻辑0。

4)Flash存储器的使用寿命是有限的。具体来说，其使用寿命是由擦写块的最大可擦写次数来决定的。超过了最大可擦写次数，这个擦写块就成为坏块了。因此为了避免某个擦写块被过度擦写，以至于它先于其他的擦写块达到最大可擦写次数，我们应该在尽量小的影响性能的前提下，使擦写操作均匀的分布在每个擦写块上，减少由擦写给块带来的摩损。

然而Flash存储器的一些特性造成了其在应用上的不足，特别是其读写操作做防掉电保护处理这个难题一直没有很好的解决。由于闪存介质固有特性，目前运行在闪存上文件系统要改写一个块设备的扇区时，通常是将这个扇区所在擦写块地数据读到内存中，放在缓存中，然后将缓存中与这个扇区对应的内容用新的内容替换掉，再对该擦写块执行擦写操作，最后将缓冲中的数据写回该擦写块。

这种实现方式的缺点是很明显的：效率低，对一个扇区的更新要重写整个擦写块上的数据，也造成内存空间很大的浪费；没有提供磨损平衡，那些被频繁更新的数据所在擦写块将首先变成坏块。

现有技术中实现利用Flash存储器进行数据操作时突然掉电的数据保存方法一般有两种对策：一是用后备电源维持单片机持续工作，称为硬保护；另一种是在电源完全失效前保护现场数据，上电后再恢复工作，称为软保护。现有技术中的硬保护电路较为烦琐，电路设计复杂，且不易集成。而现有技术中已有的软保护方法：根据文件头信息读取相应的文件信息，然后在内存当中将数据体中需要修改的数据改为需要的数据内容，修改文件头信息，最后重新找一块没有使用过或者擦除后没有使用的存储区，将内存中修改后的内容按文件组织格式写入这个新的存储区中相应位置，通常是针对单个数据块而言的一种安全读写方法，即每次电源完全失效前只能保护一个数据块中的内容。

然而信息安全设备内部存有一些重要数据如：文件头、PIN相关数据、KEY相关数据，这些数据通常需要占据Flash存储器中两个逻辑地址连续的数据块，这些数据在更新过程中，一旦发生掉电，必将给用户带来极大的安全隐患，这种突发性掉电对于信息安全设备来说是不能接受的。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提出一种数据掉电的保护方法。一般情况下，Flash存储器中只有一个备份块，本发明通过在存储区中增加两个以上备份块，并在原有逻辑块号的基础上，增加逻辑块的状态标识位，包括跨块数据的掉电安全改写过程和上电后数据恢复过程：

跨块数据的掉电安全改写过程包括：

步骤1：在内存中整理被改写的数据块中的内容，将修改后的数据分别写入空块中，使所述空块成为备份块；

步骤2：将所述数据块变为空块；

步骤3：通过改写状态标识位，将所述备份块的逻辑块号改写为所述数据块的逻辑块号；

所述状态标识位为占用逻辑块号的数据位，或逻辑块号中除占用逻辑块号的所述数据位外的其他位置；

上电后数据恢复操作包括：

步骤1′：系统扫描数据存储区，判断所述数据块是否齐全和所述备份块是否存在；

步骤2′：若所述数据块齐全，且所述备份块不存在，则系统结束数据恢复任务；若所述数据块齐全，且查找到所述备份块，则擦除所述备份块系统结束数据恢复任务；若所述数据块缺失，则将所述备份块的逻辑块号修改为所述数据块的逻辑块号。

跨块数据的掉电安全改写操作过程中，所述被改写的数据块包括逻辑地址连续的数据块。

跨块数据的掉电安全改写操作过程中，所述空块包括三种状态的数据块：数据内容被擦除的块、逻辑块号全为F的块、逻辑块号全为0的块；

跨块数据的掉电安全改写操作过程中，所述状态标识位为所述逻辑块号的一部分，所述备份块通过所述状态标识位与所述数据块建立对应关系。

跨块数据的掉电安全改写操作过程中，改写状态标识位具体为：当实现跨两个或三个数据块的掉电保护及恢复时，将所述备份块的逻辑块号的高两位或高三位设置为状态标识位，并通过所述高两位或高三位的不同状态设置，使其与被改写的数据块建立对应关系，成为被改写的数据块的备份块。

在本发明提供的方法中，所述被改写的数据块中的数据长度没有超出所述数据块的存储空间。

上电后数据恢复操作过程中，所述步骤2′还包括：若所述数据块缺失，擦除查找到的备份块对应的数据块，并将所述查找到的备份块的逻辑块号修改为所述缺失的数据块的逻辑块号。

本发明的有益效果：本发明提供的方法适用于不同特性的Flash存储器，即不仅适用于把逻辑1置成逻辑0可以直接按位操作，而把逻辑0置成逻辑1只能按擦写块为单位进行擦写操作的Flash存储器，也适用于与此特性相反的Flash存储器。

与现有技术相比，本发明具有以下优越效果：

1.现有技术中，Flash存储器的存储区中一般只有一个备份块，本发明通过增加两个以上备份块，保证了在同时改写多个数据块的过程中，掉电发生时数据不易丢失。

2.在掉电发生的情况下，能够保证数据的一致性和完整性，恢复上电后亦不会出现块混乱的情况，使得数据存储的可靠性及安全性得到很大程度的提高，有效地实现了智能密钥装置内部重要数据更新时掉电保护的目的。

3.不再需要为了改写某一个数据而将存储这个数据的擦写块全部擦除然后再重新写入更改后的数据，而是通过数据块与备份块的切换，有效避免了频繁的擦写某一个擦写块，达到提高Flash存储器使用寿命的作用。

附图说明

图1为本发明实施例1中改写标识位的方法示意图；

图2为本发明实施例1中掉电时数据处理的具体流程图；

图3为本发明实施例1中上电后数据恢复流程图；

图4为本发明实施例2中改写标识位的方法示意图；

图5为本发明实施例2中掉电时数据处理的具体流程图；

图6为本发明实施例2中上电后数据恢复流程图。

具体实施方式

本发明提出一种基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法。下面结合附图，以用户在向存储器中写数据时发生掉电时为例，对本发明作进一步说明，但本发明不局限于下面的实施例。

实施例1

本实施例中以逻辑地址连续的两个数据块为例，具体介绍掉电后数据保护及恢复的过程。在本实施例中，以两个字节即四位十六进制数来表示逻辑块号，被改写的数据块中存放用户的PIN码。在本实施例中，选用Flash存储区中已擦除的两个数据块作为备份块，并将备份块逻辑块号的高两位设为状态标识位，通过改写状态标识位来表示备份块和被改写的数据块的对应关系。

如图1所示，在本实施例中，被改写的数据块的块号为0000和0001，同时利用Flash存储的特性，即当一块Flash存储区处在干净的状态时(被擦除过，但是还没有写操作发生)，在这块Flash上的每一位都是逻辑1以及Flash存储器上的每一位都可以通过写操作直接置为逻辑0，而不必通过整块擦写来实现。因此在本实施例中，将逻辑块号为FFFF的存储块作为备块，并将逻辑块号的高两位设为状态标识位。当高两位为10时，表示该块为逻辑地址连续的两个数据块中逻辑块号在前的数据块的备份块，当高两位为11时，表示该块为逻辑地址连续的两个数据块中逻辑块号在后的数据块的备份块，同时，将备份块逻辑块号的其余14位置为与被改写的数据块的后14位相同的数据。由于Flash存储器上的每一位可以通过写操作直接被置为逻辑0，因此操作起来较为方便。

从图中可以看出，逻辑块号为0000的数据块，其备份块的块号为8000；逻辑块号为0001的数据块，其备份块的块号为C001。这样，就使得被改写的数据块与其备份块建立了联系。

图2所述的是本发明实施例1中，实现掉电时数据的处理的具体流程图，步骤如下：

步骤201、RAM区整理逻辑块号为0000的数据，将整理好的数据写入一个备份块中，并把备份块的块号修改为8000；

步骤202、RAM区整理块0001的数据，将整理好的数据写入一个备份块中，并把备份块的块号修改为C001；

步骤203、擦除逻辑块号为0000的块和逻辑块号为0001的块；

步骤204、修改逻辑块号8000为0000，修改逻辑块号C001为0001，至此，掉电安全改写结束。

在步骤201至步骤204中，所述备份块是指逻辑块号为FFFF的数据块，该备份块为已擦除的块。

图3所示的为本发明实施例1中，上电后数据恢复流程图，具体步骤为：

步骤301、系统扫描数据存储区，查找逻辑块号为0000的数据块和逻辑块号为8000的数据块；

步骤302、判断逻辑块号为0000的数据块和逻辑块号为8000的数据块是否都存在，若都存在则执行步骤303，否则执行步骤304或步骤305或步骤306；

步骤303、逻辑块号为0000的数据块和逻辑块号为8000的数据块都存在，系统结束数据恢复任务。

步骤304、只查找到块号为0000的块，即步骤204中修改块号C001为0001的步骤尚未执行时发生掉电，则修改块号C001为0001；

步骤305、只查找到块号为0001的块，即步骤203中擦除块0001的步骤尚未执行时发生掉电，则擦除块0001，然后将块号8000修改为0000，将块号C001修改为0001；

步骤306、块号为0000的块和块号为0001的块均未查找到，即步骤203完成后发生掉电，则修改块号8000为0000，修改块号C001为0001。

实施例2

本实施例中以逻辑地址连续的三个数据块为例，具体介绍掉电后数据保护及恢复的过程。在本实施例中，以两个字节表示逻辑块号，被改写的数据块中存放用户的密钥数据。在本实施例中，同样选用Flash存储区中已擦除的三个数据块作为备份块，并将备份块逻辑块号的高两位设为状态标识位，通过改写状态标识位来表示备份块和被改写的数据块的对应关系。

如图4所示，在本实施例中，被改写的数据块的块号为0000、0001、0002，将逻辑块号为FFFF的存储块作为备块，并将逻辑块号的高三位设为状态标识位。当高三位为100时，表示该块为逻辑地址连续的三个数据块中逻辑块号在前的数据块的备份块，当高三位为110时，表示该块为逻辑地址连续的三个数据块中逻辑块号居中的数据块的备份块，当高两位为111时，表示该块为逻辑地址连续的三个数据块中逻辑块号在后的数据块的备份块。同时，将备份块逻辑块号的其余13位置为与被改写的数据块的后13位相同的数据。

从图中可以看出，逻辑块号为0000的数据块，其备份块的块号为8000；逻辑块号为0001的数据块，其备份块的块号为C001，逻辑块号为0002的数据块，其备份块的块号为E002。

图4所述的是本发明实施例2中，实现掉电时数据的处理的具体流程图，步骤如下：

步骤501、RAM区整理逻辑块号为0000块中的数据，将整理好的数据写入一个备份块中，并把备份块的块号修改为8000；

步骤502、RAM区整理块0001中的数据，将整理好的数据写入一个备份块中，并把备份块的块号修改为C001；

步骤503、RAM区整理块0002中的数据，将整理好的数据写入一个备份块中，并把备份块的块号修改为E002；

步骤504、擦除逻辑块号分别为0000、0001、0002的块；

步骤505、修改逻辑块号8000为0000，修改逻辑块号C001为0001，修改逻辑块号E002为0002，至此，掉电安全写结束。

在步骤501至步骤505中，所述备份块是指逻辑块号为FFFF的数据块，该备份块为已擦除的块。

图6所示的为本发明实施例2中，上电后数据恢复流程图，具体步骤为：

步骤601、系统扫描数据存储区，查找逻辑块号为0000、0001和0002的数据块；

步骤602、判断逻辑块号为0000的数据块、逻辑块号为0001的数据块和逻辑块号为0002的数据块是否都存在，若都存在则执行步骤603，否则执行步骤604，或步骤605，或步骤606，或步骤607，或步骤608；

步骤603、逻辑块号为0000的数据块、逻辑块号为0001的数据块和逻辑块号为0002的数据块都存在，系统结束数据恢复任务。

步骤604、只查找到块号为0000的块，即步骤505中修改块号C001为0001和修改逻辑块号E002为0002的步骤尚未执行时发生掉电，则修改逻辑块号C001为0001，修改逻辑块号E002为0002；

步骤605、只查找到块号为0000的块和块号为0001的块，即步骤505中修改逻辑块号E002为0002的步骤尚未执行时发生掉电，则修改逻辑块号E002为0002；

步骤606、只查找到块号为0001的块和块号为0002的块，即步骤504中擦除块0001和块0002的步骤尚未执行时发生掉电，则擦除块0001和块0002，然后将块号8000修改为0000，将块号C001修改为0001，将块号E002修改为0002；

步骤607、只查找到块号为0002的块，即步骤504中擦除块0002的步骤尚未执行时发生掉电，则擦除块0002，然后将块号8000修改为0000，将块号C001修改为0001，将块号E002修改为0002；

步骤608、块号为0000的块、块号为0001的块和块号为0002的块均未查找到，即步骤504完成后发生掉电，则修改块号8000为0000，修改块号C001为0001，修改块号E002为0002。

依此类推，利用本发明提供的方法，可以实现掉电时，多个块的数据保护及恢复的目的。

同上述实施例不同的是，在本实施例中，以逻辑块号为0000的存储块作为备块，将逻辑块号的高两位设为状态标识位。当高两位为00时，表示该块为逻辑地址连续的两个数据块中逻辑块号在前的数据块的备份块，当高两位为01时，表示该块为逻辑地址连续的两个数据块中逻辑块号在后的数据块的备份块。同时，将备份块逻辑块号的其余13位置为与被改写的数据块的后13位相同的数据。

本实施例的具体操作流程的原理同实施例1，因此，不再赘述。

以上对本发明所提供的一种基于Flash存储器中两个以上数据块的掉电保护及恢复方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法，其特征在于通过在存储区中增加两个以上备份块，并在原有逻辑块号的基础上，增加逻辑块的状态标识位，包括跨块数据的掉电安全改写过程和上电后数据恢复过程：

跨块数据的掉电安全改写过程包括：

步骤1：在内存中整理被改写的数据块中的内容，将修改后的数据分别写入空块中，使所述空块成为备份块；

步骤2：将所述数据块变为空块；

步骤3：通过改写状态标识位，将所述备份块的逻辑块号改写为所述数据块的逻辑块号；

所述状态标识位为占用逻辑块号的数据位，或逻辑块号中除占用逻辑块号的所述数据位外的其他位置；

上电后数据恢复过程包括：

步骤1＇：系统扫描数据存储区，判断所述数据块是否齐全和所述备份块是否存在；

步骤2＇：若所述数据块齐全，且所述备份块不存在，则系统结束数据恢复任务；若所述数据块齐全，且查找到所述备份块，则擦除所述备份块，系统结束数据恢复任务；若所述数据块缺失，则将所述备份块的逻辑块号修改为所述数据块的逻辑块号。

2.根据权利要求1所述基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法，其特征在于：跨块数据的掉电安全改写操作过程中，所述被改写的数据块包括逻辑地址连续的数据块。

3.根据权利要求1所述基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法，其特征在于：跨块数据的掉电安全改写操作过程中，所述空块包括三种状态的数据块：数据内容被擦除的块、逻辑块号全为F的块、逻辑块号全为0的块。

4.根据权利要求1所述基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法，其特征在于：跨块数据的掉电安全改写操作过程中，所述状态标识位为所述逻辑块号的一部分，所述备份块通过所述状态标识位及所述逻辑块号与所述数据块建立对应关系。

5.根据权利要求1所述基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法，其特征在于：跨块数据的掉电安全改写操作过程中，改写状态标识位具体为：当实现跨两个或三个数据块的掉电保护及恢复时，将所述备份块的逻辑块号的高两位或高三位设置为状态标识位，并通过所述高两位或高三位的不同状态设置，使其与被改写的数据块建立对应关系，成为被改写的数据块的备份块。

6.根据权利要求1所述基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法，其特征在于：所述被改写的数据块中的数据长度不能超出所述数据块的存储空间。

7.根据权利要求1所述基于非易失性存储器两个以上连续逻辑块的掉电保护方法，其特征在于：上电后数据恢复操作过程中，所述步骤2＇还包括：若所述数据块缺失，擦除查找到的备份块对应的数据块，并将所述查找到的备份块的逻辑块号修改为所述缺失的数据块的逻辑块号。

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