CN102789425A

CN102789425A - 基于flash存储介质的文件读写方法

Info

Publication number: CN102789425A
Application number: CN2012102458157A
Authority: CN
Inventors: 杨浩赟; 洪俊
Original assignee: SHANGHAI SHENGDONG ELECTRIC POWER TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHANGHAI SHENGDONG ELECTRIC POWER TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-07-17
Also published as: CN102789425B

Abstract

一种基于FLASH存储介质的文件读写方法，涉及文件系统技术领域，所解决的是提高文件安全操作次数的技术问题。该方法为FAT表的每个表项分配256个字的存储区域，为目录区的每个目录项分配8192个字节的存储区域，将目录区的每个目录项依序等分成256个子区块；每次文件操作时，只对相应FAT表项的一个字执行写操作，只对相应目录项的一个子区块执行写操作，每个FAT表项执行256次写操作后执行一次擦除操作，每个目录项执行256次写操作后执行一次擦除操作。本发明提供的方法，能提高文件安全操作次数，延长FLASH存储介质的使用寿命。

Description

基于FLASH存储介质的文件读写方法

技术领域

本发明涉及文件系统的技术，特别是涉及一种基于FLASH存储介质的文件读写方法的技术。

背景技术

在电力自动化行业，有各种各样的嵌入式产品，这些嵌入式产品经常需要存储各种监控数据。一般为了使用方便，都会引入各种文件系统，最常见的就是FAT文件系统，根据可管理容量大小又分为FAT12、FAT16、FAT32三种文件系统。在各种嵌入式产品中，存储大容量数据的介质，最经济、最常见的就是FLASH芯片、SD卡、U盘等，这些存储介质，一方面具有容量大、成本低的优点，另一方面也有个明显区别于电脑硬盘的特点，那就是寿命次数有限，一般技术指标都是擦写1万次，品质高的可以擦写10万次。因此，基于这些存储介质的文件系统，对文件操作是有次数限制的。在设计嵌入式产品时，要充分考虑文件操作次数，必须保证在产品的生命周期里，文件操作次数不能大于FLASH芯片允许的擦写次数。在电力自动化行业，一般要求产品设计使用时间为10年、资源利用率为30%，也就是说，对基于擦写次数为1万次的FLASH文件系统，要求10年里写文件总次数不超过3千次。对基于擦写次数为10万次的FLASH文件系统，要求10年里写文件总次数不超过3万次。我们就以3万次为例计算一下，每天也只能擦写8.2次。对电力监控设备来说，很多都需要每分钟存储一次数据。这样，常规的基于FLASH芯片、SD卡、U盘的文件系统就不能满足要求，人们通常选择用SRAM芯片或者铁电RAM芯片来保存这些数据。SRAM芯片和铁电RAM芯片虽然没有擦写次数的限制，但是其容量很小、价格贵，一般在1M字节一下，就是少数大容量SRAM芯片，其单片容量也不会超过8M，而FLASH芯片、SD卡、U盘类的介质，其容量很容易做到几百M、几G、甚至几十G字节。如果用SRAM芯片或铁电RAM芯片保存大容量数据，就必须使用很多片SRAM芯片或铁电RAM芯片拼起来，这样不仅其成本将急骤增加，而且受产品空间的限制，有时根本就不可能做到大容量。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能提高文件安全操作次数，延长FLASH存储介质使用寿命的基于FLASH存储介质的文件读写方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种基于FLASH存储介质的文件读写方法，其特征在于：

在FLASH存储介质上建立文件系统，所述文件系统包括FAT表（文件分配表）、目录区、数据区，并为FAT表（文件分配表）的每个表项分配256个字的存储区域，为目录区的每个目录项分配8192个字节的存储区域，将目录区的每个目录项依序等分成256个子区块，每个子区块占32个字节的存储区域；

对FAT表中的单个表项进行单次簇号写操作的步骤如下：

A1）将表项的第一个字设置为当前字；

A2）读取当前字的值；

A3）如果当前字的值是0xFFFFFFFF，则将簇号写入当前字，再转至步骤A5；

A4）如果当前字不是表项的第256个字，则将表项的下一个字设置为当前字，然后转至步骤A2，反之则将表项的256个字全部擦除，再将簇号写入表项的第一个字；

A5）单次簇号写操作完毕；

对FAT表中的单个表项进行单次簇号读操作的步骤如下：

B1）将表项的第二个字设置为当前字；

B2）读取当前字的值；

B3）如果当前字值是0xFFFFFFFF，则读取前一个字的值作为簇号，再转至步骤B5；

B4）如果当前字不是表项的第256个字，则将表项的下一个字设置为当前字，然后转至步骤B2，反之则读取当前字的值作为簇号；

B5）单次簇号读操作完毕；

对目录区中的单个目录项进行单次目录信息写操作的步骤如下：

C1）将目录项的第一个子区块设置为当前子区块；

C2）读取当前子区块的值；

C3）如果当前子区块中每个字节的值均为0xFF，则将目录信息写入当前子区块，再转至步骤C5；

C4）如果当前子区块不是最后一个子区块，则将当前子区块清0，并将下一个子区块设置为当前子区块，然后转至步骤C2，反之则将目录项的256个子区块全部擦除，再将目录信息写入目录项的的第一个子区块；

C5）单次目录信息写操作完毕；

对目录区中的单个目录项进行单次目录信息读操作的步骤如下：

D1）将目录项的第一个子区块设置为当前子区块；

D2）读取当前子区块的值；

D3）如果当前子区块中每个字节的值均为0x00，则将下一个子区块设置为当前子区块，然后转至步骤D2，反之则将当前子区块的值作为目录信息；

D4）单次目录信息读操作完毕。

本发明提供的基于FLASH存储介质的文件读写方法，针对FLASH存储介质的读写特点，改进了FAT表和目录区的结构，并改进了对FAT表和目录区的读写操作方式，能在文件读写过程中减少擦除操作次数，使得FLASH存储介质的安全读写操作次数有大幅提高，能延长FLASH存储介质使用寿命，使得FLASH存储介质的安全读写操作次数相对现有文件系统能提高两百倍以上。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

本发明实施例所提供的一种基于FLASH存储介质的文件读写方法，其特征在于：

对FAT表中的单个表项进行单次簇号写操作的步骤如下：

A1）将表项的第一个字设置为当前字；

A2）读取当前字的值；

A5）单次簇号写操作完毕；

对FAT表中的单个表项进行单次簇号读操作的步骤如下：

B1）将表项的第二个字设置为当前字；

B2）读取当前字的值；

B5）单次簇号读操作完毕；

C1）将目录项的第一个子区块设置为当前子区块；

C2）读取当前子区块的值；

C5）单次目录信息写操作完毕；

D1）将目录项的第一个子区块设置为当前子区块；

D2）读取当前子区块的值；

D4）单次目录信息读操作完毕。

本发明实施例中，所述文件系统的结构特征除FAT表（文件分配表）的表项存储区域大小、目录区的目录项存储区域大小之外，其它结构特征与现有的FAT32文件系统基本一致。

本发明实施例中，所述文件系统除对FAT表（文件分配表）的表项及对目录区的目录项的读写方法之外，对其它区域数据的读写方式与现有的FAT32文件系统基本一致。

本发明实施例的原理如下：

一个最简单的FAT文件系统至少包括DBR（引导记录）、FAT表（文件分配表）、FDT表（文件根目录表）、数据区这四部分，如果不止一个分区，则DBR里描述了分区信息，每个分区里都有FAT表（文件分配表）、FDT表（文件根目录表）、数据区，只要不重新分区，分区信息就不会再擦写，正常使用时不存在擦写次数限制问题，而文件擦写操作涉及到的就是FAT表（文件分配表）、FDT表（文件根目录表）、数据区这三部分内容的变化，也就是说，只要降低了这三部分内容的擦写次数就等于提高了文件操作次数。

SD卡、U盘的擦写特点与FLASH芯片相同，以FLASH芯片为例：写命令只能使FLASH芯片内部位数据由1写成0，不能由0写成1，如果需要由0写成1，就必须先擦除扇区，擦除扇区后，该扇区的所有位就都变成1了，每个位允许的擦写次数称之为寿命次数，一般FLASH芯片的寿命次数为1万次或者10万次，擦写操作超过寿命次数后，FLASH芯片基本就报废了。

用于嵌入式产品的文件系统，有商业专用的，也有来自开源系统，各有优缺点，但本质上与UNIX、LINUX、DOS、windows这些操作系统下的文件系统是一样的，这些文件系统在对FLASH芯片实施写操作时，一般都是先判断一下能不能直接写成目标值，能直接写的就直接写，不能直接写的则把扇区值先读到缓冲区里，在缓冲区对应位置里写目标值，然后擦除扇区，最后把整个缓冲区写回FLASH芯片对应扇区；由于文件内容是不可预知的，修改文件内容，实际结果就是不断的对FLASH芯片对应扇区进行读操作、擦操作、写操作，经常修改文件内容，就是经常擦写扇区，就容易出现擦写次数达到FLASH芯片的寿命次数，这就是一般的基于FLASH芯片的文件系统寿命问题。

通过分析嵌入式文件系统通常的做法，可以发现，对每个要写的文件块内容，不管大小，只要有1个位不能写都要先擦除扇区再写。对文件擦写操作来说，很多都是在同一位置反复擦写的，比如文件时间和文件大小是记录在目录信息里的，文件每擦写一次，其目录信息对应的扇区就要先擦一次再全部写一次。这样不难看出，文件系统长期操作使FLASH芯片报废时，实际上只是少数扇区的擦写次数达到了寿命次数，绝大多说扇区的擦写次数是很少的。如果把少数扇区的频繁擦写次数，分摊到其它擦写很少的扇区，则达到了提高使用寿命的目的。

本发明实施例分别针对常规文件系统的文件分配表、目录区、数据区采取不同的方法，大幅降低同一个扇区的擦写次数；

首先是FAT表（文件分配表），FAT表里描述的是文件内容占用的簇链表，就是描述了文件内容在数据区的哪个位置，称之为FAT表项。文件删除、文件变大或变小、文件移动位置，相应的FAT表项的内容要重新改写，这部分内容经常变化，导致这部分扇区擦写次数很容易达到寿命次数。常规FAT32文件系统中，FAT表项是用4字节描述的，即一个FAT表项就是一个字，因此常规FAT32文件系统中的FAT表（文件分配表）区域很容易达到寿命次数，本发明实施例将每个FAT表项用1024字节来描述，也就是一个FAT表项占用256个字，对于单个FAT表项来说，第一次格式化时，表项的256个字都是全1，第一次写这个FAT表项时，使用第一个字，字的内容跟常规文件系统一样，描述的是占用的簇号，第二次写这个FAT表项时，使用的是第二个字，以此类推，直至第256次写这个表项时使用的是第256个字，也就是最后一个字，到第257次要写这个表项时才会对该表项的256个字执行擦除操作，然后再从第一个字开始写，进行了256次写操作后才执行一次擦除操作，从而提高了对FAT表项安全写操作的次数，采用本发明实施例的方法对单个FAT表项执行256次写操作，仅相当于现有文件系统对单个FAT表项执行一次写操作对FLASH芯片寿命次数的影响。

其次是目录区，目录区里记录的是文件大小、文件修改时间，每次文件写操作都会引起目录区内容发生变化，所以目录区属于擦写最频繁的扇区，降低目录区擦写次数的原理与降低FAT表擦写次数的原理一样，常规FAT32文件系统中，目录区里每个目录项占用32字节，因此常规FAT32文件系统中的目录区很容易达到寿命次数，本发明实施例将每个目录项用8192字节来描述，并每个目录项等分成256个子区块，每个子区块占32个字节的存储区域，对于单个目录项来说，第一次格式化时，目录项每个子区块中的各个字节的值均为0xFF，第一次写这个目录项时，使用第一个子区块，第二次写此目录项时使用第二个子区块，并将第一个子区块清0（即将子区块的每一位都写成0），第三次写此目录项时用第三个子区块，并将第二个子区块清0，以此类推，直到第256次修改此目录项后，若再写第257次则需要对该目录项执行擦除操作，然后再从第一个子区块开始写，进行了256次写操作后才执行一次擦除操作，从而提高了对目录项安全写操作的次数，采用本发明实施例的方法对单个目录项执行256次写操作，仅相当于现有文件系统对单个目录项执行一次写操作对FLASH芯片寿命次数的影响。

最后是数据区，数据区的占用，是由FAT表来描述的，在文件写操作时申请数据区簇时，总是从前往后申请，直到达到FLASH芯片容量时再回头申请前面未使用的数据区簇，只要数据区空间不是特别小，这部分扇区的擦写次数是不会达到FLASH芯片的寿命次数。这样，数据区的扇区，其擦写次数是平均的。

本发明实施例通过对FAT表、目录区的结构及读写方法改进，在FLASH芯片的擦写寿命次数不变的情况下，使文件系统的文件读写操作次数提高了256倍，大幅提高了文件系统的使用寿命，使得需要分钟级保存数据的嵌入式产品，也可以使用基于FLASH类存储介质，实现大容量、低成本的要求。

Claims

1.一种基于FLASH存储介质的文件读写方法，其特征在于：

对FAT表中的单个表项进行单次簇号写操作的步骤如下：

A1）将表项的第一个字设置为当前字；

A2）读取当前字的值；

A5）单次簇号写操作完毕；

对FAT表中的单个表项进行单次簇号读操作的步骤如下：

B1）将表项的第二个字设置为当前字；

B2）读取当前字的值；

B5）单次簇号读操作完毕；

C1）将目录项的第一个子区块设置为当前子区块；

C2）读取当前子区块的值；

C5）单次目录信息写操作完毕；

D1）将目录项的第一个子区块设置为当前子区块；

D2）读取当前子区块的值；

D4）单次目录信息读操作完毕。