CN101876927A - 实现fat32文件系统的断电保护方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现FAT32文件系统的断电保护方法和装置，涉及断电保护领域，在保证断电保护的前提下，加快了写操作的速度，并且减少了每次写操作的时间。方法包括：将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH上FAT32的数据备份区中；在存储于NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份项和备份信息扇区有效标志；进行写操作，将更新数据写入所述操作地址。本发明应用于实现FAT32文件系统的断电保护。

Description

实现FAT32文件系统的断电保护方法和装置

技术领域

本发明涉及断电保护领域，尤其涉及一种实现FAT32文件系统的断电保护方法和装置。

背景技术

目前，智能卡通常为微处理器卡，微处理器卡芯片的心脏是微处理器，它通常会有四个附加模块：掩膜只读存贮器(Read Only Memory，简称ROM)、NORFLASH、随机存取存贮器(Random Access Memory，简称RAM)和一个I/O接口。

高性能智能卡的一个最重要高性能就体现在“大容量存储器”。高性能智能卡的大容量存储器除了包含RAM、NORFLASH等，还包括了NANDFLASH，大容量卡由于引入NANDFLASH作为数据的存储介质，其存储空间可以是上百兆或者更大。为了实现对大容量存储器上数据的安全管理，需要在大容量存储器上实现文件系统来对数据进行读写等操作，FAT文件系统通过在NANDFLASH上定制FTL层的管理机制，屏蔽NANDFLASH操作的物理特性，对外实现以扇区为操作的擦除读写操作，就可以利用标准的FAT32文件系统对NANDFLASH进行数据管理。

由于智能卡写操作必须保证其原子性，所谓写操作原子性就是写操作所涉及的操作地址的若干数据要么全被更新，要么全部保持原状态。因此对于NANDFLASH上的数据需要做断电保护。

传统FAT文件系统对外提供以文件为基本单位的操作接口，因此以文件为单位进行备份操作。即为修改的文件建立临时文件，当文件保存时再用临时文件覆盖原有文件。但是这种操作会浪费很多时间，因为更新原文件时往往没有被更新的地方的数据也被重新写了一遍。如果在临时文件中只记录哪些地方作了更新，以及更新的内容，那么当涉及到读操作时，系统还要判断当前的操作地址的数据是不是已经在临时文件中被修改，当某一个文件被修改的数据很多时，这种判断所需的时间会越来越多。而且一个事务型的操作往往会改很多文件，这种临时文件的备份方法将很难满足需求。

较适宜的备份方法是在FTL层和文件系统之间实现，文件系统层所有的写操作最终都会调用FTL层提供的接口，而这些接口都是以扇区为操作单位的。在存储空间上开辟一块备份区，那么一旦某一个事务操作需要做断电保护就把所有需要被更新的扇区的原数据备份到备份区，同时作好日志，记录好备份数据的对应地址，当事务操作结束时清除日志。一旦在事务执行过程中出现断电，上电会把日志中的所有备份数据全部恢复，这样就保证了操作的原子性。

然而发明人在实现本发明技术方案时发现，现有技术至少存在以下缺陷：

(1)写操作由于要添加备份的原因速度很慢。

理想状态下，如果写操作需要做备份，一共需要写两个扇区：数据写入地址所在扇区和备份数据所在扇区。实际上每次备份都需要做日志，记录备份数据的映射关系，这也是需要写到NANDFLASH上的。FTL层虽然屏蔽了NANDFLASH的特性，实现了损耗均衡，为上层提供扇区操作接口，但物理上每次写操作都要写入1个BLOCK的数据(64K的字节)。因此每次添加的日志数据虽然可能只有几个字节，但实际上却增加了1次写操作的时间。也就是1次写操作耗费3次写操作的时间。

(2)轮询判断时间长。

添加备份时需要遍历已经添加过的所有日志项。这样如果操作地址的原数据已经做过备份就无须再做备份，这样可以节省2次写操作的时间(日志和数据备份的操作)。但是轮询需要对NANDFLASH进行读操作。这个操作时间是不能忽略不计的，如果添加的备份项过多，读操作积累的时间也是很长的，这样整个写操作同样会很慢。

(3)所需内存大。

如果在内存中为备份日志开辟缓冲区用来做轮询判断可以节省时间，但是FAT文件系统和FTL层已经占用了很大的内存，再增加内存使用量对于只有几十K内存的智能卡来说是难以接受的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种FAT32文件系统的断电保护方法和装置，在保证断电保护的前提下，加快了写操作的速度，并且减少了每次写操作的时间。

为解决上述技术问题，本发明实现FAT32文件系统的断电保护方法和装置采用如下技术方案：

将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH上FAT32的数据备份区中；

在存储于NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份项和备份信息扇区有效标志；

进行写操作，将更新数据写入所述操作地址。

一种实现FAT32文件系统的断电保护装置，包括：数据备份单元、备份信息单元和写操作单元，其中，

所述数据备份单元用于将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH上FAT32的数据备份区中；

所述备份信息单元用于在存储于NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份项和备份信息扇区有效标志；

所述写操作单元用于进行写操作，将更新数据写入所述操作地址。

本发明实施例提供的实现FAT32文件系统的断电保护方法和装置，通过将FAT32的数据备份到NANDFLASH上，而将FAT32的备份项和备份信息扇区有效标志添加到NORFLASH中，即将FAT32用于存放备份项的备份信息区由NORFLASH实现，而将FAT32用于备份数据的数据备份区由NANDFLASH实现，在保证断电保护的前提下，加快了写操作的速度，并且减少了每次写操作的时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一实现FAT32文件系统的断电保护方法的流程示意图；

图2为本发明实施例一NANDFLASH上文件系统的分层结构示意图；

图3为本发明实施例一实现FAT32文件系统的断电保护装置结构示意图；

图4为本发明实施例二实现FAT32文件系统的断电保护方法的流程示意图；

图5为本发明实施例二实现FAT32文件系统的断电保护装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

扇区：磁盘上最小可寻址存储单元称为扇区，通常每个扇区为512个字节(或字符)。

DBR区：即操作系统引导记录区的意思，通常占用分区的第0扇区共512个字节(特殊情况也要占用其它保留扇区，我们先说第0扇)。在这512个字节中，其实又是由跳转指令，厂商标志和操作系统版本号，BPB(BIOS Parameter Block)，扩展BPB，os引导程序，结束标志几部分组成。以用的最多的FAT32为例说明分区DBR各字节的含义。

簇：磁盘上最小可寻址存储单元称为扇区，通常每个扇区为512个字节(或字符)。由于多数文件比扇区大得多，因此如果对一个文件分配最小的存储空间，将使存储器能存储更多数据，这个最小存储空间即称为簇。根据存储设备(磁盘、闪卡和硬盘)的容量，簇的大小可以不同以使存储空间得到最有效的应用。

文件配置表：

一个分区分成同等大小的簇，也就是连续空间的小块。簇的大小随着FAT文件系统的类型以及分区大小而不同，典型的簇大小介于2KB到32KB之间。每个文件根据它的大小可能占有一个或者多个簇；这样，一个文件就由这些(称为单链表)簇链表示。然而，这些链并不一定一个接着一个在磁盘上存储，它们经常是在整个数据区域零散的储存。

文件分配表(FAT)是映射到分区每个簇的条目列表。每个条目记录下面五种信息中的一种。

链中下一个簇的地址

一个特殊的文件结束符(EOF)符号指示链的结束

一个特殊的符号标示坏簇

一个特殊的符号标示保留簇

0来表示空闲簇

每个版本的FAT文件系统使用不同大小的FAT条目。这个大小已经由名字表示出来，例如FAT16文件系统的每个条目使用16位表示，32位文件系统使用32位表示。这个不同意味着FAT32系统的文件分配表能比FAT16映射更多的簇，它也允许FAT32有更大的分区大小。这也使得FAT32比FAT16更能有效地利用磁盘空间，因为每个驱动器能够寻址更小的簇，这也就意味着更少的空间浪费。

为了便于说明本发明实施例的技术方案，首先介绍一下NORFLASH的物理特性，NORFLASH上的每一位(bit)可以被写操作置成逻辑0。而把逻辑0置成逻辑1却不能按位(bit)来操作，只能按擦写块(erase block)为单位进行擦写操作。一般来说，“NORFLASH擦写块最小单位大小是256bytes。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(reset)成逻辑1。

NORFLASH的写操作的最小单位可以是1个字节或4个字节，速度通常为微秒级。而读操作是可以直接寻址相当于内存中的读操作，速度非常快，时间可以忽略不计。

正是由于NORFLASH的物理特性，NORFLASH在智能卡中往往既做程序存储区，又做数据存储区，它是必然存在的。

本发明实施例提供一种实现FAT32文件系统的断电保护方法和装置，在保证断电保护的前提下，加快了写操作的速度，并且减少了每次写操作的时间。

实施例一

本发明实施例提供一种实现FAT32文件系统的断电保护方法，如图1所示，该方法包括：

步骤1、将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH上的FAT32的数据备份区中；

单个应用操作涉及文件系统的操作可能有很多，因此断电保护要实现事务级。因此，在作备份的时候，逻辑上会有很多扇区需要涉及写操作，而往往这些扇区都要做备份。

如图2所示，NANDFLASH经过FTL层的处理对NANDFLASH访问的基本单位为扇区，无论操作的数据多少，至少要进行一个扇区的操作，因此可以设定备份最小单位为扇区。由于事务性的操作往往需要操作很多扇区，这些扇区在事务操作过程中都是需要做备份的，需要找一个固定的区域作为扇区备份区来放置。

表1

如表1所示，FAT32文件系统存放在NANDFLASH上，FAT32文件系统负责管理除了保留区之外的其它区域，因此可以将保留区作为扇区备份区。在本发明实施例中，需要将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH中，因此，可以将NANDFLASH上FAT32的保留区作为数据备份区，保留区的大小可以通过引导扇区的BPB部分的参数指定，最大65535个扇区，这对卡片应用来讲是足够大的，因此只需要实现根据需求设定保留区的大小即可。

步骤2、在存储于NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份项和备份信息扇区有效标志；

由于在备份过程需要添加日志，来指定备份区的扇区数据和源操作地址所在扇区的对应关系，这些日志称为备份项。利用NORFLASH的物理特性，可以在NORFLASH开辟一块区域用来放置FAT32文件系统的备份项，同样地，可以利用NORFLASH上的保留区放置备份项和备份信息扇区有效标志，即在NORFLASH上指定一块区域作为备份信息区。这种技术方案至少具备三个优点：

其一、备份项只有几个字节，一个事务级操作产生的备份项占用的区域不会很大，对于容量为几百K的NORFLASH来讲是可以接受的；

其二、添加备份项只需要在NORFLASH上进行字节写操作，操作速度很快，相对于NANDFLASH的写操作的时间可以忽略不计；

其三、添加备份项之前要判断该备份项是否被添加过(操作扇区是否已经有过备份)，这需要遍历查找之前添加的所有备份项，由于NORFLASH的读操作相当于内存上的读操作，因此速度会很快。

步骤3、进行写操作，将更新数据写入所述操作地址。

本发明实施例还提供一种实现FAT32文件系统的断电保护装置，如图3所示，该装置包括：数据备份单元1、备份信息单元2和写操作单元3，其中，

所述数据备份单元1用于将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH上的FAT32的数据备份区中；所述备份信息单元2用于在存储于NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份项和备份信息扇区有效标志；所述写操作单元3用于进行写操作，将更新数据写入所述操作地址。

本发明实施例提供的实现FAT32文件系统的断电保护方法和装置，通过将FAT32的数据备份到NANDFLASH上，而将FAT32的备份项和备份信息扇区有效标志添加到NORFLASH中，即将FAT32用于存放备份项的备份信息区由NORFLASH实现，而将FAT32用于备份数据的数据备份区由NANDFLASH实现，在保证断电保护的前提下，加快了写操作的速度，并且减少了每次写操作的时间。

实施例二

本发明实施例提供一种实现FAT32文件系统的断电保护方法，如图4所示，该方法包括：

步骤11、判断写操作的操作地址所在扇区是否添加过备份，若添加过备份，则执行步骤17；未添加过备份，则执行步骤12；

在事物开始时，首先需要判断是否有写操作，若有写操作，再继续执行下一步，若没有写操作，则执行写操作以外的其他操作。在此之后，可以进一步判断是否还有其他写操作，若没有其他写操作，则擦除备份信息扇区，若有其他写操作，则执行下一步。

步骤12、在NANDFLASH上FAT32的保留区中找到一个可用的数据备份区；

数据备份区通过所述NANDFLASH上FAT32的保留区实现。

FAT32文件系统负责管理除了保留区之外的其它区域，因此可以将保留区作为扇区备份区。在本步骤中，需要将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH中，因此，可以将保留区作为数据备份区，保留区的大小可以通过引导扇区的BPB部分的参数指定，最大65535个扇区，这对卡片应用来讲是足够大的，因此只需要实现根据需求设定保留区的大小即可。

步骤13、将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH上FAT32的数据备份区中；

将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH上FAT32的充当数据备份区的保留区中，即该数据备份区的功能通过NANDFLASH上FAT32的保留区实现。

步骤14、在NORFLASH的备份信息区中添加备份项；

对应需要添加备份的写操作来说，每次写操作都要添加一个备份扇区和一个备份项。备份信息区是由若干备份项和备份扇区有效标志组成的，NORFLASH每页256字节，将备份信息区所占的页叫做备份信息扇区。由于这个区域是不能由NORFLASH的文件系统操作的，因此需在NORFLASH上指定一个保留区作为FAT32的备份信息区，把备份项添加在NORFLASH上指定的作为FAT32备份信息区的一块区域内，即将备份信息区的功能通过NORFLASH上的保留区实现。

每个备份项都由备份有效标志和备份对应关系组成，为了确保备份项的有效性还对备份项添加了校验。每个备份项数据结构如表2所示：

表2

名称	备份项有效标志	备份扇区地址	目的操作扇区地址	校验
					大小(字节)	1	2	3	2

步骤15、判断在NORFLASH上的FAT32的备份信息区是否已经添加了所述备份信息扇区有效标志，若已经添加了所述备份信息扇区有效标志，则执行步骤17；若未添加所述备份信息扇区有效标志，则执行步骤16。

步骤16、在NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份信息扇区有效标志；

备份信息扇区有效标志为整个FAT32文件系统层备份的有效标志，位于备份信息扇区的0地址处，也就是在所有备份项的前面，位置固定，0xAA表示有效。

FAT32的备份信息扇区的数据结构如表3所示：

表3

名称	备份有效标志	备份项1	备份项2	备份项3	……………
						大小(字节)		8字节	8字节	8字节

步骤17、进行写操作，将更新数据写入所述操作地址。

本发明实施例还提供一种实现FAT32文件系统的断电保护装置，如图5所示，该装置包括：数据备份单元1、备份信息单元2和写操作单元3，其中，

所述数据备份单元1用于将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH上FAT32的数据备份区中；所述备份信息单元2用于在存储于NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份项和备份信息扇区有效标志；所述写操作单元3用于进行写操作，将更新数据写入所述操作地址。

其中，所述数据备份区的功能通过所述NANDFLASH上FAT32的保留区实现；所述备份信息区的功能通过所述NORFLASH上的保留区实现。

进一步地，该装置还包括：数据备份区单元4和备份判断单元5，其中，

所述数据备份区单元4用于在NANDFLASH上FAT32的保留区中找到一个可用的数据备份区；所述备份判断单元5用于判断写操作的操作地址所在扇区是否添加过备份，若添加过备份，则调用所述写操作单元3；若未添加过备份，则调用所述数据备份区单元1。

再进一步地，所述备份信息单元2包括：备份项模块21和有效标志模块22，其中，

所述备份项模块21用于在NORFLASH上FAT32的备份信息区中添加备份项；

所述有效标志模块22用于在NORFLASH上FAT32的备份信息区中添加备份信息扇区有效标志。

本发明实施例提供的实现FAT32文件系统的断电保护方法和装置，通过将FAT32的数据备份到NANDFLASH上，而将FAT32的备份项和备份信息扇区有效标志添加到NORFLASH中，即将FAT32的备份信息区的功能由NORFLASH的保留区实现，而将FAT32的数据备份区由NANDFLASH上FAT32的保留区实现，在保证断电保护的前提下，加快了写操作的速度，并且减少了每次写操作的时间。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种实现FAT32文件系统的断电保护方法，其特征在于，包括：

将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH上FAT32的数据备份区中；

在存储于NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份项和备份信息扇区有效标志；

进行写操作，将更新数据写入所述操作地址。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据备份区的功能通过所述NANDFLASH上FAT32的保留区实现；所述备份信息区的功能通过所述NORFLASH上的保留区实现。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH上FAT32的数据备份区中之前还包括：

在NANDFLASH上FAT32的保留区中找到一个可用的数据备份区。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述在NANDFLASH上FAT32的保留区中找到一个可用的数据备份区之前还包括：

判断写操作的操作地址所在扇区是否添加过备份；

若添加过备份，则执行所述进行写操作，将更新数据写入所述操作地址；

若未添加过备份，则执行所述在NANDFLASH上FAT32的保留区中找到一个可用的数据备份区。

5.根据权利要求2、3或4任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述在存储于NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份项和备份信息扇区有效标志包括：

在NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份项；

在NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份信息扇区有效标志。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份信息扇区有效标志包括：

判断在NORFLASH上的FAT32的备份信息区是否已经添加了所述备份信息扇区有效标志；

若已经添加了所述备份信息扇区有效标志，则执行所述进行写操作，将更新数据写入所述操作地址；

若未添加所述备份信息扇区有效标志，则在所述NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加所述备份信息扇区有效标志。

7.一种实现FAT32文件系统的断电保护装置，其特征在于，包括：数据备份单元、备份信息单元和写操作单元，其中，

所述数据备份单元用于将写操作的操作地址所在扇区的数据备份到NANDFLASH上FAT32的数据备份区中；

所述备份信息单元用于在存储于NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份项和备份信息扇区有效标志；

所述写操作单元用于进行写操作，将更新数据写入所述操作地址。

8.根据所述权利要求7所述的装置，其特征在于，所述数据备份区的功能通过所述NANDFLASH上FAT32的保留区实现；所述备份信息区的功能通过所述NORFLASH上的保留区实现。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：数据备份区单元和备份判断单元，其中，

所述数据备份区单元用于在NANDFLASH上FAT32的保留区中找到一个可用的数据备份区；

所述备份判断单元用于判断写操作的操作地址所在扇区是否添加过备份，若添加过备份，则调用所述写操作单元；若未添加过备份，则调用所述数据备份区单元。

10.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述备份信息单元包括：备份项模块和有效标志模块，其中，

所述备份项模块用于在NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份项；

所述有效标志模块用于在NORFLASH上的FAT32的备份信息区中添加备份信息扇区有效标志。

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