CN104063186B - 一种电子设备的数据访问方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电子设备的数据访问方法，用于在嵌入式设备的Flash存储器中对数据进行读取、写入和擦除，该方法包括：建立无效块查找表和无效块映射表，管理Flash存储空间，记录每个块的状态标记，基于每个块的擦除次数进行均衡擦写，根据预定条件回收失效块，在单个Flash控制器和存储阵列接口之间设置I/O扩展层，对多片Flash进行读写。本发明改进了嵌入式系统中的数据存储管理，进一步提高了存储效率和可靠性。

Description

一种电子设备的数据访问方法

技术领域

本发明涉及电子设备的数据访问方法，特别涉及一种嵌入式设备的数据访问方法。

背景技术

嵌入式系统广泛应用于工业控制、电子设备产品等，例如智能交通系统中的实时视频监控。由于嵌入式系统的数据记录依赖Flash存储单元，因此，对数据存储单元的管理维护是非常关键的。然而随着擦写次数增加，会有一些单元块逐渐变得不稳定或失效从而形成永久性的无效块，导致监控系统的不稳定性。因此，要避免频繁地对同一块进行操作，尽量达到擦写次数均衡；而且由于擦除操作耗时较多，会对系统的实时性造成影响。频繁复杂的读、擦、写操作对于Flash的使用寿命以及系统性能是很不利的，而且微处理器中通常RAM大小有限。因此在硬件条件苛刻的嵌入式系统中就迫切需要一种合理的存储管理方式以便有效地均衡Flash各个存储块的擦写次数，提高Flash的使用寿命，从而提高数据存储的高可靠性。

因此，针对相关技术中所存在的上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种电子设备的数据访问方法，用于在嵌入式设备的Flash存储器中对数据进行读取、写入和擦除，包括：

步骤一，建立无效块查找表和无效块映射表，

步骤二，管理Flash存储空间，记录每个块的状态标记，

步骤三，基于每个块的擦除次数进行均衡擦写，

步骤四，根据预定条件回收失效块，

步骤五，在单个Flash控制器和存储阵列接口之间设置I/O扩展层，对多片Flash进行读写。

优选地，所述步骤一建立无效块查找表进一步包括：

在进行数据擦除前进行无效块的检测，将建立的无效块查找表存放在第一块中，每个字节的一位代表Flash的一个块，如该位为1表明该块不是无效块，为0则表示对应块为无效块。

优选地，所述步骤一建立映射表进一步包括：

初始化一张空的无效块映射表，建立映射结构，对整个存储区进行编号，并根据该编号对映射表进行排序，

当进行写操作时，按照上述的映射结构将写地址与映射表进行块级比较；如果是无效块，将待写入的数据写到被映射到的块；如果不是，则直接写入，

如果在写当前块的页时出现编程错误，则将该块加入无效块映射表，从该出错页开始，将该块后面的页数据都写入到对应的映射块，在数据读出时，将读地址与该映射表进行页级比较，以确定每一页的存放位置；

如果该页编程正确，则直接读出；如果错误，则到被映射块的对应页读数据，并且该页之后的页也从被映射块中读数据；

在进行擦除操作后，将擦除出错的块也添加进失效块映射表。

优选地，所述步骤二中，Flash存储器中非无效块预先被分为空闲块，有效块，失效块和保留块，所述空闲块为空白未写数据的块，所述有效块为存储有效数据而不能被擦除的块，所述失效块为所存储的数据已无效或写入错误的可被擦除的块，所述保留块为用于替换新产生的无效块的数据块，所有非无效的存储块均采用单向链表方式进行管理；

在部分存储块因为反复擦写成为新的无效块时，利用保留块取代新的无效块，成为新的空闲块，

在Flash每一块的第一页空闲区设置数据块状态信息标记表，该标记表记录了每个块的擦除次数和状态标记，所述块状态标记包括：0xFF表示空闲块，0xFD表示保留块，0xFC表示有效块，0xF0表示失效块，0x00表示无效块，在所述无效块查找表中其对应位为0。

优选地，所述步骤三进一步包括：

当建立各个状态标记对应的链表，包括空闲块链表，保留块链表，有效块链表，失效块链表，初始化并按擦除次数以非递减顺序排列各链表，

当失效块因擦除成为新的空闲块时，根据块擦除次数插入到空闲链表中，当需要写入数据到新的空闲块时，取用空闲链表的链首所指空闲块，写入数据有效后则标识该块为有效块，否则标识为失效块，

对于数据不经常被修改的静态数据块，当空闲块中的最大擦除次数与有效块中的最小擦除次数之差大于设定阈值时，迁移该有效块中数据至空闲链表中擦除次数最大的块中，实现擦写平衡化。

优选地，所述步骤四中，失效块的回收在系统空闲或上电时进行，仅当空闲块与失效块的块数比值超出预定阈值时，回收所有失效块。

优选地，所述I/O扩展层用于实现数据宽度转换，控制信号的切换以及Flash组的切换，所述Flash控制器包括读模块、写模块和擦除模块，并且所述步骤五进一步包括：

分别将各片Flash的忙信号接入I/O扩展层中进行”与”操作后再送入Flash控制器，Flash阵列的每组控制信号并联后通过I/O扩展层接入到单片Flash控制器中；

Flash控制器的读模块、写模块和擦除模块各输出一个数据的方向信号和数据状态信号；I/O扩展层根据数据方向信号、状态信号和当前操作命令，依次进行如下操作：

在写入数据操作时，同一组Flash加载相同的写命令和写地址，加载写入数据阶段，将数据位宽度进行分割，不同数据位段同时写入各片Flash，在读状态阶段，将同一组各片Flash输出状态数据的高两位相“或”、以及低三位相“与”的结果送给Flash控制器；

在读数据操作时，同一组Flash加载相同的读命令和读地址，在读数据阶段，将各片Flash读出数据进行拼接输出，在读状态阶段，将同一组各片Flash输出状态数据的高两位相“或”、以及低三位相“与”的结果送给Flash控制器；

擦除操作时，同一组Flash加载相同的擦除命令和擦除地址，在读状态阶段，将同一组各片Flash输出状态数据的高两位相“或”、以及低三位相“与”的结果送给Flash控制器；当一组Flash的地址达到最后地址时，自动切换组片选信号，使下一组Flash成为当前操作Flash组。

本发明相比现有技术，具有以下优点：

本发明改进了嵌入式系统中的数据存储管理方法，失效块的回收方式保证数据块的擦写平衡，有效延长了Flash的使用寿命，进一步提高了存储效率和数据安全性，从而更有利于在嵌入式系统中。

附图说明

图1是根据本发明实施例的电子设备的数据访问方法的流程图。

具体实施方式

下文与图示本发明原理的附图一起提供对本发明一个或者多个实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖诸多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的一些或者所有细节也可以根据权利要求书实现本发明。

本发明的一方面提供了一种电子设备的数据访问方法。图1是根据本发明实施例的电子设备的数据访问方法流程图。以下实施例以NANDFlash芯片为例具体说明本发明的方法。如图1所示，实施本发明的具体步骤如下：

1.建立无效块查找表

由于生产工艺的问题，Flash不可避免的会存在一些损坏的无效块，这些无效块在芯片出厂前都已被标识好。例如在每一块的第一页与第二页的空闲区的第六个字节即是出厂时的无效块标识位，如果某块的该两页的第517字节内容不同时为0xFF，则代表该块为标识无效块。

无效块的检测必须在对芯片进行擦除前进行，因为厂家无效块有可能也能够被进行擦除操作，如使用这种块将对数据安全留下一定的隐患。NandFlash在出厂前会保证每块芯片的第一块与第二块是完好的，所以在本发明的设计中，采用的方式是将无效块查找表存放在第一块的第一页的前128个字节中，每个字节的一位代表芯片的一块，如该位为1表明该块是好的，为0则表示对应块为无效块。

为进一步对无效块实现管理，本发明还建立一张无效块到冗余区有效块的映射表。映射原理如下：初始化一张空的无效块映射表，建立数据结构对整个存储区进行编号，并根据这个编号对映射表进行排序。进行写操作时，按照上述的映射结构将写地址与映射表进行比较，比较到块级即可。

如果是无效块，将待写入的数据写到被映射到的块；如果不是，则直接写入该块。如果在写某块的某页时出现编程错误，则将该块添加进无效块映射表，因为当编程出错时就表明出错页对应的块无效，同时从该出错页开始，将该块后面的页数据都写入到对应的映射块。这样，在数据读出时，可将读地址与映射表比较，并且需要比较到页级以确定每一页的确切存放位置。

如果该页编程正确，则直接读出；如果错误，则到被映射的块的对应页读数据，并且该页之后的页也从被映射块中读数据。对无效块进行读操作是允许的，即对于编程出错页前面的那些编程正确的页是可以正确读出的，而对无效块进行编程和擦除的操作是不利的，因为有时这些操作会使邻近的块也失效，所以读操作要查找到每一页的对应存放位置，而写操作只要查找到块就行，查找时采用二分查找算法。擦除完后，将擦除出错的块也添加进失效块映射表。

2.Flash存储空间管理

在本发明设计的Flash空间管理方法中，Flash的存储块被分为空闲块(即空白没写数据的好块)，有效块(即存有有效数据的块，不能被擦除)，失效块(即数据已无效或是写入错误块，可被擦除)，保留块(用于替换新产生的无效块)，其它的则为无效块，所有存储块的管理均采用单向链表方式进行管理。

在大部分的Flash存储空间管理系统中可能并不存在保留块，在本方面中增加保留块，便于在部分存储块因为反复擦写成为新的无效块时，可以用保留块取而代之成为新的空闲块，从而使得留给用户的可用存储块总数在一定时期内是一定的，这样可以增强数据的安全性，延长整个Flash的使用周期。

在本发明的设计中，统一规定Flash每一块的第一页的空闲区为数据块状态信息标记表，该标记表记录了每个块的擦除次数和状态标记。块状态标记具体如下：0xFF代表其为空闲块，0xFD代表其为保留块，0xFC代表其为有效块，0xF0代表其为失效块，0x00则表明当前块为无效块，在无效块查找表中其对应位为0。

3.擦写均衡与失效块回收

当系统上电后，如不存在无效块查找表，则应首先应建立相应的无效块查找表，建立各个链表：空闲块链表，保留块链表，有效块链表，失效块链表。

初始化并按擦除次数以非递减顺序排列各链表。当失效块因擦除成为新的空闲块时，根据块擦除次数插入到空闲链表中相应位置，当需要写入数据到新的空闲块时则取用空闲链表的链首所指空闲块，写入数据有效后则标识该块为有效块，否则标识为失效块，通过这样的管理方式保证每次都是使用空闲链表中擦除次数最小的块，从而使擦写达到均衡。对于静态数据块(指的是Flash中存储的不经常被修改的数据)，在本发明中采用的处理方法是，当空闲块中的最大擦除次数与有效块中的最小擦除次数之差大于某一设定阈值(该阈值不能过小，否则数据搬迁将过于频繁)，则迁移该有效块中数据至空闲链表中擦除次数最大的块中，从而避免因某些数据块被静态数据长时间占用而使得其它数据块的擦写加剧，进而可使得整个Flash的擦写趋于平衡。

对于失效块的回收，本发明在有足够空闲块的情况下在系统空闲或上电时进行，这样能节约更多宝贵的系统资源以进行更重要的工作，当在系统运行过程中，如果空闲块块数与失效块块数的比值超出一个阈值(优选值取50)，则启动程序回收所有失效块。这个阈值应取得适中，如太大则使得回收过于频繁，太少的话一方面使空闲空间过少，另一方面一旦启动回收程序，因要回收块数过多，从而使采集数据的实时输入受到影响，本发明中取空闲块与失效块的比值作为阈值，好处是只要空闲块块数足够，失效块回收基本在系统初始化是进行，即使在采集过程中回收占用的时间也是十分微小，这样的设计有利于实时性要求极高的嵌入式系统。

4.在Flash控制器和Flash阵列接口之间设置I/O扩展层，用于Flash阵列。

为应用在多片多组Flash的场合，本发明设计了IO转换模块。传统的利用一个单片Flash控制器驱动并行，要控制多片多组Flash，就要用多个单片Flash控制器，多个这样的控制器会占用较多的FPGA资源，会增加设计成本。本发明设计的IO扩展方法能实现用一个单片Flash控制器控制多片多组Flash。

I/O扩展层完成数据宽度转换，控制信号的切换以及Flash组的切换；分别将各片Flash的忙信号接入I/O扩展层中进行”与”操作后再送入控制器，Flash阵列的每组控制信号并联后通过I/O扩展层接入到单片Flash控制器中；Flash控制器的读、写、擦除模块各输出一个数据的方向信号和数据状态信号；I/O扩展层根据数据方向信号、状态信号和当前操作命令进行如下操作：

写入数据操作时，同一组Flash加载相同的写命令和写地址，加载写入数据阶段，将数据位宽进行分割，不同数据位段同时写入各片Flash，在读状态阶段，将同一组各片Flash输出状态数据的高两位相“或”、以及低三位相“与”的结果送给Flash控制器；

读数据操作时，同一组Flash加载相同的读命令和读地址，在读数据阶段，将各片Flash读出数据进行拼接输出，在读状态阶段，将同一组各片Flash输出状态数据的高两位相“或”、以及低三位相“与”的结果送给Flash控制器；

擦除操作时，同一组Flash加载相同的擦除命令和擦除地址，在读状态阶段，将同一组各片Flash输出状态数据的高两位相“或”、以及低三位相“与”的结果送给Flash控制器；当一组Flash的地址达到最后地址时，自动切换组片选信号，使下一组Flash成为当前操作Flash组。

综上所述，本发明从Flash的特性出发，改进了嵌入式系统中的Flash存储管理方法，失效块的回收方式保证了数据块的擦写平衡，有效延长了Flash的使用寿命，进一步提高了存储效率和数据安全性，从而更有利于在嵌入式系统中的应用。

显然，本领域的技术人员应该理解，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算系统来实现，它们可以集中在单个的计算系统上，或者分布在多个计算系统所组成的网络上，可选地，它们可以用计算系统可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储系统中由计算系统来执行。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种电子设备的数据访问方法，用于在嵌入式设备的Flash存储器中对数据进行读取、写入和擦除，其特征在于，包括：

步骤一，建立无效块查找表和无效块映射表，

步骤二，管理Flash存储空间，记录每个块的状态标记，

步骤三，基于每个块的擦除次数进行均衡擦写，

步骤四，根据预定条件回收失效块，

步骤五，在单个Flash控制器和存储阵列接口之间设置I/O扩展层，对多片Flash进行读写；

所述步骤一建立无效块查找表进一步包括：

在进行数据擦除前进行无效块的检测，将建立的无效块查找表存放在第一块中，每个字节的一位代表Flash的一个块，如果该位为1，表明该块不是无效块，如果该位为0，表示对应块为无效块；

所述步骤一建立映射表进一步包括：

初始化一张空的无效块映射表，建立映射结构，对整个存储区进行编号，并根据该编号对映射表进行排序，

当进行写操作时，按照上述的映射结构将写地址与映射表进行块级比较；如果是无效块，将待写入的数据写到被映射到的块；如果不是，则直接写入，

如果在写当前块的页时出现编程错误，则将该块加入无效块映射表，从该出错页开始，将该块后面的页数据都写入到对应的映射块，在数据读出时，将读地址与该映射表进行页级比较，以确定每一页的存放位置；

如果在写当前块的页时编程正确，则直接读出；如果错误，则到被映射块的对应页读数据，并且该页之后的页也从被映射块中读数据；

在进行擦除操作后，将擦除出错的块也添加进失效块映射表。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，Flash存储器中非无效块预先被分为空闲块，有效块，失效块和保留块，所述空闲块为空白未写数据的块，所述有效块为存储有效数据而不能被擦除的块，所述失效块为所存储的数据已无效或写入错误的可被擦除的块，所述保留块为用于替换新产生的无效块的数据块，所有非无效的存储块均采用单向链表方式进行管理；

在部分存储块因为反复擦写成为新的无效块时，利用保留块取代新的无效块，成为新的空闲块，

在Flash每一块的第一页空闲区设置数据块状态信息标记表，该标记表记录了每个块的擦除次数和状态标记，所述状态标记包括：0xFF表示空闲块，0xFD表示保留块，0xFC表示有效块，0xF0表示失效块，0x00表示无效块，在所述无效块查找表中其对应位为0。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤三进一步包括：

当建立各个状态标记对应的链表，包括空闲块链表，保留块链表，有效块链表，失效块链表，初始化并按擦除次数以非递减顺序排列各链表，

当失效块因擦除成为新的空闲块时，根据块擦除次数插入到空闲链表中，当需要写入数据到新的空闲块时，取用空闲链表的链首所指空闲块，写入数据有效后则标识该块为有效块，否则标识为失效块，

对于数据不经常被修改的静态数据块，当空闲块中的最大擦除次数与有效块中的最小擦除次数之差大于设定阈值时，迁移该有效块中数据至空闲链表中擦除次数最大的块中，实现擦写平衡化。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤四中，失效块的回收在系统空闲或上电时进行，仅当空闲块与失效块的块数比值超出预定阈值时，回收所有失效块。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述I/O扩展层用于实现数据宽度转换，控制信号的切换以及Flash组的切换，所述Flash控制器包括读模块、写模块和擦除模块，并且所述步骤五进一步包括：

分别将各片Flash的忙信号接入I/O扩展层中进行”与”操作后再送入Flash控制器，Flash阵列的每组控制信号并联后通过I/O扩展层接入到单片Flash控制器中；

Flash控制器的读模块、写模块和擦除模块各输出一个数据的方向信号和数据状态信号；I/O扩展层根据数据方向信号、状态信号和当前操作命令，依次进行如下操作：

在写入数据操作时，同一组Flash加载相同的写命令和写地址，加载写入数据阶段，将数据位宽度进行分割，不同数据位段同时写入各片Flash，在读状态阶段，将同一组各片Flash输出状态数据的高两位相“或”、以及低三位相“与”的结果送给Flash控制器；

在读数据操作时，同一组Flash加载相同的读命令和读地址，在读数据阶段，将各片Flash读出数据进行拼接输出，在读状态阶段，将同一组各片Flash输出状态数据的高两位相“或”、以及低三位相“与”的结果送给Flash控制器；

擦除操作时，同一组Flash加载相同的擦除命令和擦除地址，在读状态阶段，将同一组各片Flash输出状态数据的高两位相“或”、以及低三位相“与”的结果送给Flash控制器；当一组Flash的地址达到最后地址时，自动切换组片选信号，使下一组Flash成为当前操作Flash组。