CN103176920A - Nor flash掉电保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种Nor flash掉电保护方法，包括：在针对Nor flash的类文件配置表FAT文件系统结构中增加写时备份区；进行写操作时，将待写入数据写到从写时备份区选择的备份物理块block上，记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到非易失性随机访问存储器Nvram；设备重启时，如果正在写入标记已置位，则禁止对flash进行写操作，从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引，拷贝所述备份block的数据到所述目标block。本申请还公开了一种Nor flash掉电保护装置。本申请可实现对flash文件系统的有效保护。

Description

Nor flash掉电保护方法及装置

技术领域

本申请涉及Nor flash处理技术领域，尤其涉及Nor flash掉电保护方法及装置。

背景技术

Nor Flash是采用或非电路作为存储载体的一种闪存介质，是嵌入式系统的主要存储媒介。这种类型的flash介质写入速度慢、读取速度快，位交换几率低，支持随机寻址和片内执行，多应用在存储可执行文件等访问次数少但可靠性要求高的场所。NorFlash写入操作具有以下两个特点：

1）在已存储有内容的物理块block上修改目标位置的内容时，只能把目标比特bit的1（表示内容为空）修改为0（表示有内容），而不能把0修改为1。要想把目标位置的0改写为1，只能擦除该目标位置所对应的block（一般为64k或者128k），也就是说，要擦除包含有该目标位置的整个block。因此，一般情况下，向flash指定的目标位置改写内容时，需要先保存所述目标位置对应的block上的内容到随机存储器RAM，然后对所述block执行擦除动作，再从RAM写更新后的内容到flash上。

2）在内容为空的block上写入时，flash介质的写入速度大约为5k/s，如果写入过程中掉电，本次实际写入的内容与期望写入的内容可能不一致，导致本次写入的内容不可预测。

现有的类文件配置表FAT文件系统是一种针对Nor flash的文件系统，该类型文件系统的元数据和文件数据有相对固定的位置，并分开存储，所有的修改操作均原地执行。类FAT文件系统整体结构示意图如图1所示，其中，元数据区固定位于flash介质的前面区域，主要存储管理文件存储位置和目录关系的管理性数据；用户数据区，主要存储各个文件的实际内容。对于类FAT文件系统的写入操作也包括以下两方面：

A、对已存储的数据进行修改，所述修改过程如图2所示，步骤如下：

步骤1：把准备改写的目标block上的数据内容读取到RAM，并且在RAM中对准备改写的目标位置的内容进行更新；

步骤2：擦除flash上的所述目标block的内容；

步骤3：把RAM中更新后的内容写到所述目标block上。

分析上述过程，如果改写过程中发生掉电，不仅更新的内容未写入目标block，还可能会破坏目标block上原有的内容，因为进行擦除操作时，会将所述目标位置对应的整个目标block的内容都擦除，因此，所述目标block上原有的有效内容也被擦除了，从而会破坏目标block上原有的内容，引起文件系统崩溃。

B、在内容为空的block上写入，此时，如果掉电，实际写入的内容与期望写入的内容可能不一致，实际已写入多少内容以及写入的是什么内容，都是不确定的，即，对于写入数据的完整性和有效性均无法预测。

上述无论是在对已存储的数据改写的过程中发生掉电，还是在内容为空的block上写入的过程中发生掉电，掉电重启后，对于之前掉电产生的结果也没有任何处理，无法继续完成因为掉电而中断的数据写入过程。

综上所述，现有针对Nor flash的类FAT文件系统对掉电管理支持较差，如果改写过程发生掉电，不仅更新的内容未写入，还可能破坏原有的内容，引起文件系统崩溃；如果在内容为空的block上写入的过程中发生掉电，对于写入数据的有效性和完整性均无法预测。此外，掉电重启后，对于因为掉电而产生的上述问题也没有任何恢复处理。从而无法实现对flash文件系统的有效保护。

发明内容

有鉴于此，本申请提出一种Nor flash掉电保护方法，可实现对flash文件系统的有效保护。

本申请还提出一种Nor flash掉电保护装置，可实现对flash文件系统的有效保护。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

一种Nor flash掉电保护方法，包括以下步骤：

在针对Nor flash的类文件配置表FAT文件系统结构中增加写时备份区；

进行写操作时，将待写入数据写到从写时备份区选择的备份物理块block上，记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到非易失性随机访问存储器Nvram；

设备重启时，如果正在写入标记已置位，则禁止对flash进行写操作，从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引，拷贝所述备份block的数据到所述目标block。

一种Nor flash掉电保护装置，包括：写时备份区添加模块、数据备份模块、标记存储模块、标记获取模块和数据恢复模块，其中：

写时备份区添加模块，用于在针对Nor flash的类文件配置表FAT文件系统结构中增加写时备份区；

数据备份模块，用于进行写操作时，将待写入数据写到从写时备份区选择的备份物理块block上；

标记存储模块，用于在将待写入数据写到从写时备份区选择的备份block上之后，记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到非易失性随机访问存储器Nvram；

标记获取模块，用于设备重启时，如果正在写入标记已置位，则禁止对flash进行写操作，从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引；

数据恢复模块，用于在取出所述备份block和目标block的全局位置索引后，拷贝所述备份block的数据到所述目标block。

本申请的有益效果为，通过在针对Nor flash的类FAT文件系统结构中增加写时备份区，从写时备份区选择一个block作为备份block，将待写入flash的数据写入Ram，将所述Ram中的数据写到备份block，然后记录正在写入标记及备份block和待写入的目标block的位置索引到Nvram；当发生异常掉电并重启时，如果正在写入标记已置位，表明重启前是异常掉电，需要对因为异常掉电而受到影响的flash文件系统进行恢复，此时，首先禁止其他用户对flash进行写操作，然后根据Nvram记录的block位置索引，找到备份block和目标block，将备份block的数据写到目标block。从而可以实现：当类FAT文件系统数据改写过程中发生掉电、或在内容为空的block上写入数据过程中发生掉电而引起文件系统数据紊乱时，在下次设备重启时可以继续完成掉电前的写操作过程，实现对flash文件系统的有效保护。

附图说明

图1为现有技术的类FAT文件系统整体结构示意图；

图2为现有技术的数据改写流程示意图；

图3为本申请实施例的方法流程图；

图4为本申请实施例的类FAT文件系统结构示意图；

图5为本申请实施例的在已存储有数据的目标block改写数据的流程示意图；

图6为本申请实施例的在内容为空的目标block写入数据的流程示意图；

图7为本申请实施例的装置功能模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过具体实施例并参见附图，对本申请进行详细说明。

本申请提出一种Nor flash掉电保护方法，在针对Nor flash的类文件配置表FAT文件系统结构中增加写时备份区；进行写操作时，将待写入数据写到随机存储器Ram，将所述Ram中的数据写到从写时备份区选择的备份物理块block上，记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到非易失性随机访问存储器Nvram；

设备重启时，如果正在写入标记已置位，则禁止对flash进行写操作，从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引，拷贝所述备份block的数据到所述目标block。

本申请中，通过在类FAT文件系统结构中增加写时备份区，用于备份进行写操作时待写入flash的数据，记录正在写入标记（正在写入标记置位）及备份block和待写入的目标block的位置索引到掉电不易失位置，当发生掉电并重启时，如果正在写入标记已置位，则禁止对flash进行写操作，根据掉电不易失位置记录的block位置索引，找到备份block和目标block，拷贝备份block的数据到目标block。本申请方案以较小的开销，实现了类FAT文件系统上数据写操作过程的完整性和有效性，避免了异常掉电对于文件系统的破坏，可实现对flash文件系统的有效保护。

本申请实施例的方法流程如图3所示，一种Nor flash掉电保护方法，包括以下步骤：

步骤301：在针对Nor flash的类文件配置表FAT文件系统结构中增加写时备份区。

参照图1可知，类FAT文件系统结构包括元数据区和用户数据区，本申请实施例对现有的类FAT文件系统结构进行了扩展，即在类FAT文件系统结构中增加了一个写时备份区，如图4所示，所述写时备份区由一个物理块block或一个以上连续的block组成。

写时备份区用于备份进行写操作时待写入flash的数据，写时备份区如果由一个block组成，则每次备份都使用这一个block，使用频率过多时容易损坏。写时备份区如果由一个以上block组成，则可以轮流使用各个block作为备份block，可延长使用寿命，此外，这些block可以是连续的，如此，可以更方便按全局位置索引顺序轮流选用这些block作为备份block。写时备份区位于整个flash介质的什么位置不重要，只要其包含的block是连续的即可。

例如，如图4所示，写时备份区位于整个flash介质的尾部区域，由10个擦除单位的连续的block组成。正常写入过程需要从这10个Block中找到一个作为备份block，数据首先写到该block，然后拷贝到目标block。

写时备份区中block的数量可以根据整个磁盘大小和使用频繁程度决定。例如，使用频率越大，block的数量也应越多。磁盘较小时，为保证用户数据的存储，block的数量可少一些。

步骤302：进行写操作时，将待写入数据写到从写时备份区选择的备份物理块block上，记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到非易失性随机访问存储器Nvram。

这里的写操作分两种情况，第一种情况：所述目标block不为空，之前已存储有数据，需要在已存储有数据的所述目标block上改写数据；第二种情况：所述目标block的内容为空，需要在内容为空的所述目标block上写入数据。下面分别进行具体描述。

当所述写操作是在已存储有数据的所述目标block改写数据时，如图5所示，包括以下步骤：

S1、找到待改写的目标block。

S2、将所述目标block上已存储的数据写入随机存储器Ram，在所述Ram中对所述数据进行改写。

根据nor flash的特性，改写数据不能直接在nor flash上进行，因此，此处，先将目标block上的数据写入Ram，然后在Ram中对数据进行改写。

S3、从写时备份区选择一个block作为备份block，将所述Ram中改写后的数据写到所述备份block上。

从写时备份区选择block时可以根据实际需要来进行选择，选择方式可以有多种，例如可随机选择，也可采用如下方法：写时备份区的block数量记为N，N为正整数，其中按顺序第一个block的全局位置索引记为M，上一次使用的备份block的全局位置索引记为K，判断K+1是否小于M+N，如果是，从写时备份区选择全局位置索引为K+1的block作为备份block，否则，从写时备份区选择全局位置索引为M的block作为备份block。如此，可保证写时备份区的各个block被轮流使用，使用频率相当，保持负载均衡，延长使用寿命。

例如，假设写时备份区由10个连续的block组成，第一个block的全局位置索引为990，上一次使用的备份block的全局位置索引为993，则判断994是否小于990+10=1000，显然是，因此，从写时备份区选择全局位置索引为994的block作为当前的备份block。

S4、记录正在写入标记到非易失性随机访问存储器Nvram，同时记录所述备份block和目标block的全局位置索引到Nvram。

即记录正在写入标记、所述备份block和目标block的全局位置索引到掉电不易失位置，所述正在写入标记通过使用一个比特位进行0、1赋值就可简单实现，保证即使发生异常掉电，也能从Nvram中找到上述记录。后续如果发生异常掉电，设备重启时可以根据Nvram中的正在写入标记及所述全局位置索引，继续完成对flash的写操作过程。

S5、擦除所述目标block。

所述目标block上已存储有数据，对其进行改写时就需要先擦除目标block上原有的数据，否则无法写入。

S6、将所述备份block上的数据写到所述目标block上。

所述将所述备份block上的数据写到所述目标block上时，需要先将所述备份block上的数据写入随机存储器Ram，再将所述Ram中的数据写到所述目标block。

S7、清除Nvram中的正在写入标记、以及所述目标block和备份block的全局位置索引。

S8、擦除所述备份block。

步骤S7、S8是为了保证下次写操作的正常进行。

当所述写操作是在内容为空的所述目标block写入数据时，如图6所示，包括以下步骤：

T1、找到待写入的目标block。

T2、将待写入flash的数据写入随机存储器Ram。

T3、从写时备份区选择一个block作为备份block，将步骤T2所述Ram中的数据写到所述备份block上。

需要先写入Ram，再将所述Ram中的数据写入备份block。

T4、记录正在写入标记到非易失性随机访问存储器Nvram，同时记录所述备份block和目标block的全局位置索引到Nvram。

T5、将所述备份block上的数据写到所述目标block上。

T6、清除Nvram中的正在写入标记、以及所述目标block和备份block的全局位置索引。

T7、擦除所述备份block。

相对于现有写操作过程，本申请实施例在写操作过程中增加了正在写入标记，引入了写时备份区，并且将备份block和待写入的目标block的全局位置索引记录在了非易失性随机访问存储器Nvram中，以实现在异常掉电重启时可以继续完成写操作过程，实现对flash文件系统的有效保护。设备重启时的步骤如下步骤303.

步骤303：设备重启时，如果正在写入标记已置位，则禁止对flash进行写操作，从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引，拷贝所述备份block的数据到所述目标block。

当正在执行写操作时，设备由于电源故障等原因可能会引起异常掉电，当设备掉电后重启时，判断正在写入标记是否已置位：

如果正在写入标记已置位，表明重启前是异常掉电，需要继续上次未完成的写操作过程，具体执行步骤如下：

首先，禁止对flash进行写操作，即禁止其他用户对flash进行写操作（本地可以对flash进行操作），然后从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引，根据所述全局位置索引找到所述备份block和目标block，判断所述目标block是否已被擦除，即通过读取所述目标Block的内容，检查是否每个字节都为0xff来判断。如果所述目标block已被擦除，即内容为空，每个字节均为0xff，则拷贝所述备份block的数据到所述目标block；如果所述目标block没有被擦除，还存储有数据，则擦除所述目标block，也就是把所述目标Block的内容全部写为0xff，再拷贝所述备份block的数据到所述目标block，完成异常掉电未完成的写入过程。

最后，清除Nvram中的正在写入标记、以及所述目标block和备份block的全局位置索引，擦除写时备份区的全部数据，以便于投入下一次的正常使用。因为有可能在上一次执行完写操作后，擦除备份block时发生异常掉电，使得备份block中还存储有数据。

如果正在写入标记没有置位，表明不需要启动数据继续写入流程，此时，需要擦除写时备份区的所有数据，准备投入下一次使用。因为有可能在上一次执行写操作时，将待写入数据写到备份block后和记录正在写入标记前发生异常掉电了，使得备份block中还存储有数据。

本申请实施例的装置功能模块结构如图7所示，一种Nor flash掉电保护装置，包括：写时备份区添加模块、数据备份模块、标记存储模块、标记获取模块和数据恢复模块，其中：

写时备份区添加模块，用于在针对Nor flash的类文件配置表FAT文件系统结构中增加写时备份区；

数据备份模块，用于进行写操作时，将待写入数据写到从写时备份区选择的备份物理块block上；

标记存储模块，用于在将待写入数据写到从写时备份区选择的备份block上之后，记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到非易失性随机访问存储器Nvram；

标记获取模块，用于设备重启时，如果正在写入标记已置位，则禁止对flash进行写操作，从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引；

数据恢复模块，用于在取出所述备份block和目标block的全局位置索引后，拷贝所述备份block的数据到所述目标block。

较佳地，所述写时备份区由一个block或一个以上连续的block组成。

较佳地，所述数据备份模块在将待写入数据写到从写时备份区选择的备份block上时，所述从写时备份区选择备份block，包括：

写时备份区的block数量记为N，N为正整数，其中按顺序第一个block的全局位置索引记为M，上一次使用的备份block的全局位置索引记为K，判断K+1是否小于M+N，如果是，从写时备份区选择全局位置索引为K+1的block作为备份block，否则，从写时备份区选择全局位置索引为M的block作为备份block。

当所述写操作是在已存储有数据的所述目标block上改写数据时，

所述数据备份模块，具体用于：将所述目标block上已存储的数据写入随机存储器Ram，在所述Ram中对所述数据进行改写，将所述Ram中改写后的数据写到所述备份block上；

所述装置进一步包括：

数据改写模块，用于在所述记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到Nvram之后，擦除所述目标block，将所述备份block上的数据写到所述目标block上。

当所述写操作是在内容为空的所述目标block写入数据时，

所述数据备份模块，具体用于：将待写入数据写入随机存储器Ram，将所述Ram中的数据写到所述备份block上；

所述装置进一步包括：

数据写入模块，用于在所述记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到Nvram之后，将所述备份block上的数据写到所述目标block上

较佳地，所述数据恢复模块，还用于在将所述备份block上的数据写到所述目标block上之后，清除Nvram中的正在写入标记、以及所述目标block和备份block的全局位置索引，擦除所述备份block。

较佳地，所述标记获取模块，还用于在所述设备重启时，如果正在写入标记没有置位，则擦除写时备份区的所有数据。

较佳地，所述数据恢复模块，还用于在所述从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引之后和拷贝所述备份block的数据到所述目标block之前，如果所述目标block没有被擦除，则擦除所述目标block；如果所述目标block已被擦除，则直接拷贝所述备份block的数据到所述目标block。

较佳地，所述数据恢复模块，还用于在拷贝所述备份block的数据到所述目标block之后，清除Nvram中的正在写入标记、以及所述目标block和备份block的全局位置索引，擦除写时备份区的全部数据。

本申请中，通过引入写时备份区和正在写入标记，写操作过程中如果异常掉电，待写入的数据可以在下次重启时继续写入，可保证写入数据的有效性和完整性，也可以使因为掉电而出现数据紊乱的文件系统得到恢复，从而实现对flash文件系统的有效保护。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (14)

1.一种Nor flash掉电保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

在针对Nor flash的类文件配置表FAT文件系统结构中增加写时备份区；

进行写操作时，将待写入数据写到从写时备份区选择的备份物理块block上，记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到非易失性随机访问存储器Nvram；

设备重启时，如果正在写入标记已置位，则禁止对flash进行写操作，从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引，拷贝所述备份block的数据到所述目标block。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从写时备份区选择备份block的方法为：

写时备份区的block数量记为N，N为正整数，其中按顺序第一个block的全局位置索引记为M，上一次使用的备份block的全局位置索引记为K，判断K+1是否小于M+N，如果是，从写时备份区选择全局位置索引为K+1的block作为备份block，否则，从写时备份区选择全局位置索引为M的block作为备份block。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述写操作是在已存储有数据的所述目标block上改写数据时，

所述将待写入数据写到从写时备份区选择的备份block上，包括：将所述目标block上已存储的数据写入随机存储器Ram，在所述Ram中对所述数据进行改写，将所述Ram中改写后的数据写到所述备份block上；

所述记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到Nvram之后，进一步包括：擦除所述目标block，将所述备份block上的数据写到所述目标block上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述写操作是在内容为空的所述目标block上写入数据时，

所述将待写入数据写到从写时备份区选择的备份block上，包括：将待写入数据写入随机存储器Ram，将所述Ram中的数据写到所述备份block上；

所述记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到Nvram之后，进一步包括：将所述备份block上的数据写到所述目标block上。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述将所述备份block上的数据写到所述目标block上之后进一步包括：清除Nvram中的正在写入标记、以及所述目标block和备份block的全局位置索引，擦除所述备份block。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设备重启时，如果正在写入标记没有置位，则擦除写时备份区的所有数据。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引之后和拷贝所述备份block的数据到所述目标block之前，进一步包括：如果所述目标block没有被擦除，则擦除所述目标block；如果所述目标block已被擦除，则直接拷贝所述备份block的数据到所述目标block。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拷贝所述备份block的数据到所述目标block之后进一步包括：

清除Nvram中的正在写入标记、以及所述目标block和备份block的全局位置索引，擦除写时备份区的全部数据。

9.一种Nor flash掉电保护装置，其特征在于，所述装置包括：写时备份区添加模块、数据备份模块、标记存储模块、标记获取模块和数据恢复模块，其中：

写时备份区添加模块，用于在针对Nor flash的类文件配置表FAT文件系统结构中增加写时备份区；

数据备份模块，用于进行写操作时，将待写入数据写到从写时备份区选择的备份物理块block上；

标记存储模块，用于在将待写入数据写到从写时备份区选择的备份block上之后，记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到非易失性随机访问存储器Nvram；

标记获取模块，用于设备重启时，如果正在写入标记已置位，则禁止对flash进行写操作，从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引；

数据恢复模块，用于在取出所述备份block和目标block的全局位置索引后，拷贝所述备份block的数据到所述目标block。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述数据备份模块在将待写入数据写到从写时备份区选择的备份block上时，所述从写时备份区选择备份block，包括：

写时备份区的block数量记为N，N为正整数，其中按顺序第一个block的全局位置索引记为M，上一次使用的备份block的全局位置索引记为K，判断K+1是否小于M+N，如果是，从写时备份区选择全局位置索引为K+1的block作为备份block，否则，从写时备份区选择全局位置索引为M的block作为备份block。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，当所述写操作是在已存储有数据的所述目标block上改写数据时，

所述数据备份模块，具体用于：将所述目标block上已存储的数据写入随机存储器Ram，在所述Ram中对所述数据进行改写，将所述Ram中改写后的数据写到所述备份block上；

所述装置进一步包括：

数据改写模块，用于在所述记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到Nvram之后，擦除所述目标block，将所述备份block上的数据写到所述目标block上。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，当所述写操作是在内容为空的所述目标block写入数据时，

所述数据备份模块，具体用于：将待写入数据写入随机存储器Ram，将所述Ram中的数据写到所述备份block上；

所述装置进一步包括：

数据写入模块，用于在所述记录正在写入标记、以及所述备份block和待写入的目标block的全局位置索引到Nvram之后，将所述备份block上的数据写到所述目标block上。

13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述数据恢复模块，还用于在将所述备份block上的数据写到所述目标block上之后，清除Nvram中的正在写入标记、以及所述目标block和备份block的全局位置索引，擦除所述备份block。

14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述标记获取模块，还用于在所述设备重启时，如果正在写入标记没有置位，则擦除写时备份区的所有数据；

所述数据恢复模块，还用于在所述从Nvram中取出所述备份block和目标block的全局位置索引之后和拷贝所述备份block的数据到所述目标block之前，如果所述目标block没有被擦除，则擦除所述目标block；如果所述目标block已被擦除，则直接拷贝所述备份block的数据到所述目标block；

所述数据恢复模块，还用于在拷贝所述备份block的数据到所述目标block之后，清除Nvram中的正在写入标记、以及所述目标block和备份block的全局位置索引，擦除写时备份区的全部数据。

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