CN102981977A - 一种可延长flash使用寿命的数据存储方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可延长FLASH使用寿命的数据存储方法，所述数据存储方法是利用FLASH、FRAM及SDRAM三部分组合成的数据存储系统完成的，该方法主要包括系统初始化、数据添加、数据转移及数据恢复四个步骤。采用本发明所述的技术方案优点在于：采用数据转移操作，不仅提高了数据的保存速度，更重要的是大大降低了对FLASH的擦除次数，从而尽可能地延长了FLASH的使用寿命；同时，数据转移操作采用先转储，再转移的步骤，保证了在数据转移操作过程中，即使系统发生异常故障，也能保证系统恢复到数据转移操作前的状态，达到了数据安全可靠操作的目的。

Description

一种可延长FLASH使用寿命的数据存储方法

技术领域

本发明涉及数据存储方法技术领域，尤其涉及一种可延长FLASH使用寿命的数据存储方法。

背景技术

嵌入式系统具有功耗低、便携等特点，常常用于各种工业产品及民用产品中，如各种工业生产、消防和安防系统中都用到嵌入式系统。嵌入式系统通常脱离个人电脑或工业主机(如工控机)，自成独立系统。由于尺寸要求等原因，嵌入式系统的存储空间往往有限，又因为嵌入式系统常常应用于各种安全性要求比较高的场合，因此该系统的数据操作可靠性变得十分重要。

以嵌入式考勤系统或门禁系统为例，当用户考勤时，如果考勤成功，则系统产生考勤成功记录，并把考勤记录存储于FLASH等非易失性存储器中，方便日后查询和考核。另一个例子是工业安防系统，如分布式光纤振动测量系统，系统在线监测时，当振动事件发生后，系统通过模式识别算法判断，如果判定事件为某一类特定事件，则产生报警记录，并把报警记录保存于FLASH等非易失性存储器中，便于将来查询。

上述两个嵌入式系统代表了此类系统的应用特性，即它们都频繁产生记录数据，并且记录数据都需要保存于FLASH等非易失性存储器中，而且需要保存相当长一段时间(比如3个月)。尽管单个记录数据量小(只有几个到几十个字节)，但由于长时间保存，因此累积的数据量也比较大。

FLASH存储器是一种容量大且价格低廉的非易失性存储器，因此，嵌入式系统中通常采用FLASH存储器来保存数据，用来存储数据库、特征数据、操作系统程序及系统产生的各种实时记录等需要掉电保存的数据。FLASH一般都分为很多个SECTOR，每个SECTOR包括一定数量的存储单元。对于大容量的FLASH，还分为不同的BANK，每个BANK还包括一定数目的SECTOR。FLASH的擦除操作一般都是以SECTOR、BANK或者是整片FLASH为单位的。在对FLASH进行写操作的时候，每个B工T可以通过编程由1编为0，但不可以由0修改为1。为了保证写操作的正确性，在执行写操作前，都要执行擦除操作。擦除操作会把FLASH的一个SECTOR、一个BANK或者是整片FLASH的值都修改为0xFF。这样写操作才可以正确完成。

但是FLASH有其自身缺陷，一是FLASH有擦除次数(即寿命)限制，一般是10万次擦除操作，所以不宜对FLASH进行频繁写操作。二是FLASH写操作速度很慢，因为写操作前必须先擦除，然后再写，最后验证，整个过程速度很慢，因此对于频繁产生的实时数据，实时将之保存于FLASH也不太适合。

FRAM是一种比FLASH更加可靠的存储器，它的读写速度很快，而且几乎没有擦除次数限制。但是其容量比较小，因而只适合存储一些数据量比较小的数据，比如几K的数据量。当系统必须频繁或者快速地写入数据时，上述这些优点对于写操作密集型应用的系统来说非常适合，如考勤或报警记录的保存正属于这种应用。

SDRAM(或者DDR)是一种大容量高速度的存储器，适合用来运行操作系统、算法处理等需要高速运行的操作，但SDRAM(或者DDR)是易失性存储器，即系统掉电后其内部数据丢失无法恢复。因此，一般系统上电后，先把操作系统由FLASH自动导入到SDRAM中，然后自动运行操作系统。

一般的记录保存方法是：系统产生一条记录后，把这条记录写入FLASH(添加记录)中。但是，如前所述，每写一次FLASH，都需要先把要写入的SECTOR擦除后方可写入。这种方法的缺陷是FLASH频繁被擦除，其使用寿命必然大大缩短；而且，擦除操作使得SECTOR里面的旧的数据有被丢失的危险。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种可延长FLASH使用寿命的数据存储方法，既能实时存储记录数据，又可长期保存大量记录数据，同时又可大大延长FLASH的使用寿命。

为了达到上述目的，本发明采用一种可延长FLASH使用寿命的数据存储方法，所述数据存储方法是利用FLASH、FRAM及SDRAM三部分组合成的数据存储系统完成的，该方法包括以下步骤：

步骤一：系统初始化

在系统设计时，把FLASH划分成如特征数据区、记录数据区、操作系统区、数据库区等多个空间，每个区包括至少一个SECTOR；

进一步的，对FLASH所有的SECTOR进行编号，特别地，保留一个SECTOR，用来作为数据转储(数据备份)区，以进行数据转储(数据备份)操作；

进一步的，预留出能满足系统设计指标中的记录保存时间的n个SECTOR作为记录数据保存区，编号从j+1开始到j+n结束；

进一步的，把记录数据区的每个SECTOR都划分为Y个记录数据块，依次编号为1，2，...，Y-1，Y；

在FRAM中开辟一个记录数据暂存区，一个数据转储操作的标记区及一个数据转移操作的标记区；

进一步的，FRAM中记录数据暂存区的空间大小为记录数据区的一个SECTOR中的一个记录数据块的大小；

进一步的，数据转储操作的标记区存放数据转储标记A及发生转储操作的FLASH的SECTOR编号两个字节型的数据；

进一步的，数据转移操作的标记区存放数据转移标记B、记录数据块的编号及发生转移操作的FLASH的SECTOR编号三个字节型数据；

步骤二：数据添加

系统把新记录写入到FRAM的记录数据暂存区的尾部，形成旧记录在前新记录在后的顺序，把记录逐条保存起来，直至将FRAM中的记录数据暂存区写满；

步骤三：数据转移

当FRAM中的记录数据暂存区写满之后，就需要做数据转移操作，把FRAM中的记录数据转移到FLASH中，具体操作步骤细化如下：

第一步，读取FRAM中的数据转移操作的标记B、记录数据块编号i(1≤i≤Y)、FLASH的SECTOR编号为k(j+1≤k≤j+n)；

第二步，设置FRAM中的数据转储标记A＝0，设置FLASH中SECTOR编号＝k；

第三步，擦除FLASH中用于数据备份的SECTOR；

第四步，读取FLASH中编号为k的SECTOR中的全部数据到SDRAM的数据暂存区，然后把这部分数据写入FLASH中用于数据备份的SECTOR中，并做校验，这一步叫做转储；

第五步，如果转储成功，则设置FRAM中的转储标记A＝1，如果系统发生异常，则FRAM中的转储标记不会改变仍为A＝0；

第六步，设置FRAM中的数据转移操作标记B＝0；

第七步，擦除FLASH中编号为k的SECTOR；

第八步，把FRAM中的记录数据块读出，并添加到SDRAM中由上述第四步得到的数据块的尾部，然后把这个数据块写回编号为k的SECTOR中，并作校验；

第九步，如果第八步写入成功，设置FRAM中的数据转移操作标记B＝1；

第十步，经过第九步之后，再根据第一步得到的i判断编号为k的SECTOR是否写满；如果尚未写满，则修改FRAM中数据转移操作标记的记录数据块编号为i+1，而SECTOR编号不变仍为k；如果已经写满，则记录数据块编号改为1(即下次从第一个数据块开始写)，而设置SECTOR编号＝k+1(即下次从下一个SECTOR写入)；如果(k+1)超出FLASH的记录数据区(即k+1＞j+n)，则设置SECTOR编号＝j+1(即循环回到记录数据区起始位置)；

第十一步，清空FRAM中的记录数据暂存区，新的记录又可以从头写入这个空间；

步骤四：数据恢复

若系统在上述步骤三中的第四步或第八步操作时发生异常故障，导致数据丢失，则数据恢复步骤如下：

第一步，读取备份SECTOR中的数据到SDRAM中，获得备份数据，此时FRAM中的转储标记没有改变，即A＝1，SECTOR编号＝k，但B＝0，表明数据转移没有成功；

第二步，擦除FLASH中编号为k的SECTOR；

第三步，把SDRAM中第一步获取的备份数据写入FLASH中编号为k的SECTOR中，并做校验；

第四步，如果第三步写入成功，则设置FRAM中的转移标记，即B＝1，转到第五步，如果系统发生异常，则FRAM中的标记A＝1，B＝0，SECTOR编号＝k，不会改变；

第五步，按数据转移操作方法把FRAM中的记录数据转移到FASLH中。

采用本发明所述的技术方案优点在于：采用数据转移操作，由于实时产生的记录保存在FRAM记录数据暂存区，只有暂存区记录满时，才把记录转移到FLASH中，这样操作不仅提高了数据的保存速度，更重要的是大大降低了对FLASH的写操作次数，也是减少了对FLASH的擦除次数，从而尽可能地延长了FLASH的使用寿命；同时，数据转移操作采用先转储，再转移的步骤，保证了在数据转移操作过程中，即使系统发生异常故障，也能保证系统恢复到数据转移操作前的状态，达到了数据安全可靠操作的目的。

附图说明

图1为本发明工作原理示意图。

具体实施式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤。

为了便于更加清晰描述所述方法，本发明以对嵌入式系统中记录数据操作为例。记录数据指的是考勤记录或报警记录，或相类似的数据，记录数据是系统在使用过程中实时产生的。例如考勤记录是在考勤过程中产生的，当考勤成功时，产生考勤成功记录，通常包括考勤人姓名(或流水号或工号)和考勤时间；而报警记录，通常是系统在使用过程中，发生事件引发报警(如火警，振动事件等)，此时产生报警信息，通常包括发生事件的类型，发生时间和发生地点位置等。记录数据的特点是实时产生，有时频繁发生，数据量小(通常为几个字到几十个字节)；但通常要求系统能保存一段时间的记录数据(考勤数据或报警信息)，例如3个月等，方便日后考核或查询。尽管每条记录数据的数据量小，但由于要求系统能长时间保存，因此总的记录数据量有时候会很大。由于记录数据产生频繁，产生次数多等特点，因此需要频繁向存储器写入记录数据。

如上所述，FLASH容量大但擦除次数有限，故不宜频繁写入(需要擦除)，而FRAM没有擦除次数限制，可以频繁写入，但其容量小，不能存放大量数据。因此，利用FRAM读写速度快、没有擦除次数限制且可靠性高的特点以及FLASH容量大且价格低廉的特点，将二者组合成一个非易失性存储器系统。另外，采用SDRAM作为系统常规内存，用来运行操作系统，算法处理等需要高速运行的操作。本方法取三种存储器的优点，互相补充。

一种可延长FLASH使用寿命的数据存储方法，所述数据存储方法是利用FLASH、FRAM及SDRAM三部分组合成的数据存储系统完成的，该方法包括以下步骤：

步骤一：系统初始化

在系统设计时，把FLASH空间划分成多个区，比如有特征数据区，记录数据区，操作系统区，数据库区等等，每个区包括至少一个SECTOR；进一步地，对FLASH所有的SECTOR进行编号，如FLASH一共有M个SECTOR，那么其SECTOR依次编号1，2...M；特别地，保留一个SECTOR，用来作为数据转储(数据备份)操作。所谓数据转储操作就是把数据从FLASH的一个SECTOR转存到另一个用于备份的SECTOR。转储操作是所述数据可靠操作方法的一个重要步骤。

预留的FLASH记录数据空间，应该能满足不同应用场合下系统设计指标中的记录保存时间。如附图1所示，假设系统保留了n个SECTOR作为记录数据保存区，编号从j+1开始到j+n结束。

在FRAM中开辟一个记录数据暂存区，其存储空间大小应合理设计(主要在系统设计时考虑)。假设此空间大小为T个字节(如T＝1K)，而FLASH每个SECTOR的大小为X个字节(如X＝64K)，假设Y＝X/T，对Y取整数。那么把FLASH的记录数据空间的每个SECTOR都划分为Y个记录数据块，依次编号为1，2，...，Y-1，Y。

在FRAM中开辟一个区作为数据转储操作的标记，在此区内存放两个字节型的数据，即数据转储标记A和发生转储操作的FLASH的SECTOR编号。所谓数据转储，是指把数据从一个SECTOR搬移到另一个SECTOR，通常做数据备份用。

在FRAM中再开辟一个区作为数据转移操作的标记，在此区内存放三个字节型数据，即数据转移标记B、记录数据块编号和发生转移操作的FLASH的SECTOR编号。所谓数据转移指的是当FRAM记录数据暂存区存满数据时，需要把这个记录数据块转移到FLASH中。转移操作是指把FRAM中的记录数据添加到FLASH中的记录数据区，添加是按顺序添加到记录数据区的尾部，也就是旧的记录数据在前新的记录数据在后，依次添加。那么系统必须记住，当前记录数据已经添加到了哪一个SECTOR中的哪一个记录数据块，因此需要知道当前SECTOR的编号和当前要写入的记录数据块在SECTOR中的编号。

步骤二：数据添加

数据添加是指当系统产生新的记录时，需要把新记录保存起来，并保留一段时间。具体做法是，系统把新记录写入到FRAM的记录数据暂存区的尾部，这样形成了旧记录在前新记录在后的顺序，把记录逐条保存起来，直至将FRAM中的记录数据暂存区写满。

因为FRAM是非易失性存储器，即便系统掉电或发生其他异常后，记录依然能保存在FRAM存储器中。由于单条记录数据量小，而且产生频繁，故不宜直接把记录写入FLASH中，而是暂存在记录数据暂存区。

步骤三：数据转移

当FRAM中的记录数据暂存区写满之后，就需要做数据转移操作，把FRAM中的记录数据转移到FLASH中。具体操作步骤细化如下：

第一步，读取FRAM中的数据转移操作的标记B，假设此时记录数据块编号为i(1≤i≤Y)，FLASH的SECTOR编号为k(j+1≤k≤j+n)；

第二步，设置FRAM中的转储标记，其中设置A＝0，设置FLASH中SECTOR编号＝k；

第三步，擦除FLASH中用于数据备份的SECTOR；

第四步，读取FLASH中编号为k的SECTOR中的全部数据到SDRAM的数据暂存区，然后把这部分数据写入FLASH中用于数据备份的SECTOR中，并做校验，这一步叫做转储；

第五步，如果转储成功，则设置FRAM中的转储标记A＝1；如果系统发生异常，则FRAM中的转储标记不会改变仍为A＝0；

第六步，设置FRAM中的数据转移操作的标记B＝0；

第七步，擦除FLASH中编号为k的SECTOR；

第八步，把FRAM中的记录数据块读出，并添加到SDRAM中由第四步得到的数据块(一个SECTOR大小)的尾部(即旧记录数据块在前，新的记录数据块在后，依次添加到FLASH中)，然后把这个数据块(一个SECTOR大小)写回编号为k的SECTOR中，并作校验；

第九步，如果第八步写入成功，设置FRAM中的数据转移操作的标记B＝1；

第十步，经过第九步之后，再根据第一步得到的i判断编号为k的SECTOR是否写满；如果尚未写满，则修改FRAM中数据转移操作标记的记录数据块编号为i+1，而SECTOR编号不变仍为k；如果已经写满，则记录数据块编号改为1(即下次从第一个数据块开始写)，而设置SECTOR编号＝k+1(即下次从下一个SECTOR写入)；如果(k+1)超出FLASH的记录数据区(即k+1＞j+n)，则设置SECTOR编号＝j+1(即循环回到记录数据区起始位置)；

第十一步，清空FRAM中的记录数据暂存区，新的记录又可以从头写入这个空间；

第十步实现了记录数据的循环存储，即当FLASH记录数据区存满记录时，下一次记录数据转移操作会把FRAM中的记录数据块写入到FLASH中记录数据区的最开始的位置，把最老的记录覆盖掉，这样，FLASH中始终保存了最新的记录数据。

当用户查询记录时，系统把FLASH中的所有记录以及FRAM中的记录都都读入内存中，供系统查询算法调用。

所述步骤三由于把记录数据暂时存储在FRAM中，只有等到FRAM中的记录数据区写满之后再把整个记录数据块转移到FLASH中，因此大大降低了对FLASH的写操作(同时也是减少了对FLASH的擦除)，从而提高了FLASH的使用寿命。

步骤四：数据恢复

所述方法采用数据转储操作，实现了数据可靠存储，不会出现由于数据转移时擦除FLASH而导致旧的记录丢失。例如，当数据转移第四步操作时系统发生异常故障，导致记录数据备份不成功，此时系统复位或重新上电后，读取FRAM中的转储标记，得到的结果是A＝0，表明数据备份不成功，而此时编号为k的SECTOR尚未被擦除，FRAM中的旧记录数据也尚未被清空，所以旧的记录数据是安全的。如果所述数据转移操作第八步做数据转移操作时系统发生异常故障，这将导致编号为k的SECTOR内的数据丢失，但是由于在这之前数据已经备份过了，系统复位或重新上电后，就可以从备份的SECTOR读出数据，恢复系统做转移操作前的状态。数据恢复步骤如下：

第一步，读取备份SECTOR的数据到SDRAM中，获得备份数据。此时FRAM中的转储标记没有改变，即A＝1，SECTOR编号＝k。但B＝0，表明数据转移不成功。

第二步，擦除FLASH中编号为k的SECTOR。

第三步，把SDRAM中第一步获取的备份数据写入FLASH中编号为k的SECTOR中，并做校验。

第四步，如果第三步写入成功，则设置FRAM中的转移标记，即B＝1，转到第五步。如果系统发生异常，则FRAM中的标记A＝1，B＝0，SECTOR编号＝k，不会改变。

第五步，按数据转移操作把FRAM中的记录数据转移到FASLH中。

所述数据转移操作，由于实时产生的记录保存在FRAM记录数据暂存区，只有暂存区记录满时，才把记录转移到FLASH中，这样操作不仅提高了记录的保存的速度，更重要的是大大减少了FLASH擦除的次数，从而尽可能地延长了FLASH的使用寿命；同时，数据转移操作采用先转储，再转移的步骤，保证了在数据转移操作过程中，即使系统发生异常故障，也能保证系统能恢复到数据转移操作前的状态，达到了数据安全可靠操作的目的。

Claims (1)

1.一种可延长FLASH使用寿命的数据存储方法，所述数据存储方法是利用FLASH、FRAM及SDRAM三部分组合成的数据存储系统完成的，其特征在于：该方法包括以下四个步骤：

步骤一：系统初始化

在系统设计时，把FLASH划分成如特征数据区、记录数据区、操作系统区、数据库区等多个空间，每个区包括至少一个SECTOR；

进一步的，对FLASH所有的SECTOR进行编号，特别地，保留一个SECTOR，用来作为数据转储(数据备份)区，以进行数据转储(数据备份)操作；

进一步的，预留出能满足系统设计指标中的记录保存时间的n个SECTOR作为记录数据保存区，编号从j+1开始到j+n结束；

进一步的，把记录数据区的每个SECTOR都划分为Y个记录数据块，依次编号为1，2，...，Y-1，Y；

在FRAM中开辟一个记录数据暂存区，一个数据转储操作的标记区及一个数据转移操作的标记区；

进一步的，FRAM中记录数据暂存区的空间大小为记录数据区的一个SECTOR中的一个记录数据块的大小；

进一步的，数据转储操作的标记区存放数据转储标记A及发生转储操作的FLASH的SECTOR编号两个字节型的数据；

进一步的，数据转移操作的标记区存放数据转移标记B、记录数据块的编号及发生转移操作的FLASH的SECTOR编号三个字节型数据；

步骤二：数据添加

系统把新记录写入到FRAM的记录数据暂存区的尾部，形成旧记录在前新记录在后的顺序，把记录逐条保存起来，直至将FRAM中的记录数据暂存区写满；

步骤三：数据转移

当FRAM中的记录数据暂存区写满之后，就需要做数据转移操作，把FRAM中的记录数据转移到FLASH中，具体操作步骤细化如下：

第一步，读取FRAM中的数据转移操作的标记B、记录数据块编号i(1≤i≤Y)、FLASH的SECTOR编号为k(j+1≤k≤j+n)；

第二步，设置FRAM中的数据转储标记A＝0，设置FLASH中SECTOR编号＝k；

第三步，擦除FLASH中用于数据备份的SECTOR；

第四步，读取FLASH中编号为k的SECTOR中的全部数据到SDRAM的数据暂存区，然后把这部分数据写入FLASH中用于数据备份的SECTOR中，并做校验，这一步叫做转储；

第五步，如果转储成功，则设置FRAM中的转储标记A＝i，如果系统发生异常，则FRAM中的转储标记不会改变仍为A＝0；

第六步，设置FRAM中的数据转移操作标记B＝0；

第七步，擦除FLASH中编号为k的SECTOR；

第八步，把FRAM中的记录数据块读出，并添加到SDRAM中由上述第四步得到的数据块的尾部，然后把这个数据块写回编号为k的SECTOR中，并作校验；

第九步，如果第八步写入成功，设置FRAM中的数据转移操作标记B＝1；

第十步，经过第九步之后，再根据第一步得到的i判断编号为k的SECTOR是否写满；如果尚未写满，则修改FRAM中数据转移操作标记的记录数据块编号为i+1，而SECTOR编号不变仍为k；如果已经写满，则记录数据块编号改为1(即下次从第一个数据块开始写)，而设置SECTOR编号＝k+1(即下次从下一个SECTOR写入)；如果(k+1)超出FLASH的记录数据区(即k+1＞j+n)，则设置SECTOR编号＝j+1(即循环回到记录数据区起始位置)；

第十一步，清空FRAM中的记录数据暂存区，新的记录又可以从头写入这个空间；

步骤四：数据恢复

若系统在上述步骤三中的第四步或第八步操作时发生异常故障，导致数据丢失，则数据恢复步骤如下：

第一步，读取备份SECTOR中的数据到SDRAM中，获得备份数据，此时FRAM中的转储标记没有改变，即A＝1，SECTOR编号＝k，但B＝0，表明数据转移没有成功；

第二步，擦除FLASH中编号为k的SECTOR；

第三步，把SDRAM中第一步获取的备份数据写入FLASH中编号为k的SECTOR中，并做校验；

第四步，如果第三步写入成功，则设置FRAM中的转移标记，即B＝1，转到第五步，如果系统发生异常，则FRAM中的标记A＝1，B＝0，SECTOR编号＝k，不会改变；

第五步，按数据转移操作方法把FRAM中的记录数据转移到FASLH中。

Images