CN107391395A - 一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法，以flash存储器作为存储介质，通过基于系统时间的地址映射方法计算得到flash存储器的写入地址，将要存储的曲线写入，实现FLASH存储器的磨损平衡；快速映射FLASH存储器读写地址，实现快速读写；可剔除系统掉电期间FLASH存储器中的无效数据；减少FLASH存储器块擦除次数，从而可大大提高使用寿命。

Description

一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法

技术领域

本发明涉及一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法。

背景技术

嵌入式系统(Embedded system)，是一种完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统，其以应用为中心，以计算机技术为基础，是一种软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

在嵌入式系统中，有一些用于数据测量的系统可能需要定期对采集的数据进行曲线记录。如果要求的曲线记录间隔较长(分钟级以上)且系统与服务端通信良好，可通过在服务端定时召唤测量数据并保存数值的方式实现测量点的曲线记录。

然而在现实的运行环境下，如果要求的曲线记录间隔较短(秒级以下)，通过上述方式可能会导致巨大的通信流量需求，而且对通信信道的带宽和时延要求比较高，使得数据远传变得困难。在这种情况下，要求嵌入式系统具有一定的曲线保存能力，然后将曲线数据打包上传到服务端。

公布号为CN 104715102 A的专利申请公开了一种基于二分法的智能电能表负荷曲线的设计方法，文中提到“为了实现数据可搜索，把最早的一条数据在FLASH中的位置和时间、最近的一条数据在FLASH中的位置和时间进行存储”，说明其每存储一次曲线，都需要将数据的位置和时间信息进行更新，而这些信息也是存储在FLASH中的，这样会导致存储数据的位置和时间信息的FLASH区域被多次写入，大大降低FLASH的寿命。

此外，上述文献中通过二分法进行数据搜索，与轮询方式相比虽然大大降低了查询次数，但在最坏的情况下需要17次的读操作才能搜索到指定的数据。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种通过基于时间的映射实现flash存储器的完全滚动式写入，每次写入数据时仅需要写入数据本身，无需存储数据的位置和时间信息，这样可实现flash存储器的磨损平衡(Wear Leveling)，大大延长flash存储器寿命的嵌入式系统的长寿命曲线记录方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法，以flash存储器作为存储介质，通过基于系统时间的地址映射方法计算得到flash存储器的写入地址，将要存储的曲线写入，实现了存储介质磨损平衡、快速读写、数据完整性和减少擦写次数的功能，从而可大大提高使用寿命。

优选的，基于系统时间的地址映射方法包括以下步骤：

1)获取当前系统时间T；

2)将当前系统时间T换算为相对于参考起始时间的描述t；

3)根据描述t计算曲线的写入地址为：(t％(m×24×3600))/p×n，其中％表示取模运算，m表示曲线的存储最长时间，单位为天，p为存储间隔时间，单位为秒，n为每次存储的空间大小，单位为字节；

4)在写入地址将要存储的曲线写入。

优选的，所述步骤4)包括以下步骤：

41)判断写入地址的起始地址是否在flash存储器的块的起始位置，如果在块的起始位置则需要首先把当前块擦除；

42)计算写入地址的起始地址和结束地址的块号是否一致，如果一致，则说明曲线写入的区域位于一个块的内部，由于块在使用前都是整块擦除过的，此时可直接写入曲线即可；

43)如果不一致，则需要首先将曲线的前部分写入起始地址所在块号的尾部，然后将结束地址所在块整块擦除，然后将剩余的曲线写入结束地址所在块的头部。

优选的，要存储的曲线包括时间，数据和CRC校验三部分，其中时间为要存储的曲线数据的存储时刻，数据为具体的曲线数值，CRC校验为时间以及数据区域生成的校验码。

优选的，当需要读取曲线时，通过读取时间可以计算曲线的存储地址，从该地址将数据取出，校验曲线时间是否与请求的时间一致，以及CRC校验码是否正确，如果均正确说明该数据为有效数据，可取出数据，否则表明该曲线为无效曲线，将曲线填充为无效数据。

优选的，所述flash存储器为采用SPI串行接口的flash存储器。

优选的，所述flash存储器为NORFlash。

本发明提供的一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法解决的技术问题包括：

1)实现FLASH存储器的磨损平衡(Wear Leveling)

通过基于时间的映射实现FLASH存储器的完全滚动式写入，FLASH存储器的任何一个区域都具有完全等同的角色，在运行过程中每个区域被擦写的次数差值≤1次，实现FLASH存储器的磨损平衡。

2)快速映射FLASH存储器读写地址，实现快速读写

通过当前系统时间可直接计算获取写入地址，快速向指定地址写入数据；通过要读取的曲线时间可直接计算获取读取地址，直接读取数据。

3)剔除系统掉电期间FLASH存储器中的无效数据

每次写入的数据都带有时标和校验码，通过时标和校验码可校验曲线数据的有效性和正确性，从而可剔除无效的曲线数据。

4)减少FLASH存储器块擦除次数

由于FLASH存储器是滚动式写入的，如果每次写入没有超出块的边界，则不对FLASH存储器进行擦除，仅在当前记录跨越块边界时才对FLASH存储器进行擦除操作。这样假设FLASH存储器一个块大小为4KB，一条曲线记录长度为256B，则该算法写入16组曲线数据仅需要擦除一次，如果不使用该算法则需要操作16次。以此来计算，该算法可提高FLASH存储器约16倍的寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例地址映射示意图；

图2为本发明实施例地址映射流程图；

图3为本发明实施例滚动式写入示意图；

图4为本发明实施例滚动式写入流程图；

图5为本发明实施例读取数据流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

有限资源嵌入式系统是具有有限的硬件资源的嵌入式系统，在本文中指具有有限的ROM，RAM资源(KB级别)，不具备内存保护单元，CPU主频在百兆赫兹级别的嵌入式系统。

由于有限资源嵌入式系统的RAM容量有限，通过RAM进行曲线缓存具有以下缺点：1)缓存数据量小，通信不及时可能导致数据丢失。2)嵌入式系统掉电会导致曲线数据的丢失。鉴于以上原因，一般在有限资源的嵌入式系统中可通过外部非易失存储器对曲线进行存储。外部非易失存储器一般包括：EEPROM，FRAM，FLASH等几种。其中EEPROM的容量和访问速度都较低，而FRAM的容量较低且成本很高，而FLASH容量很大而成本较低，所以一般使用FLASH进行曲线存储。

在嵌入式系统中，由于引脚限制，一般不提供并行接口，故一般采用SPI串行接口的FLASH。由于嵌入式系统所需要的曲线存储容量还不足以到NAND FLASH的经济容量。本发明仅对基于串行NOR FLASH的嵌入式系统进行讨论。

本发明实施例的目的是通过基于时间的映射实现NOR FLASH的完全滚动式写入，每次写入数据时仅需要写入数据本身，无需存储数据的位置和时间信息，这样可实现NORFLASH的磨损平衡(Wear Leveling)，大大延长NOR FLASH的寿命。读取数据时，根据读取时间可直接计算数据在NOR FLASH中的存储地址，读出数据后校验正确即可直接使用数据，即仅需要1次读操作就可以搜索到指定的数据

本发明提供一种有限资源嵌入式系统的曲线记录方法，该方法以串行NOR FLASH作为存储介质，通过简便易行的基于系统时间的地址映射方法，实现了NOR FLASH的磨损平衡、快速读写、数据完整性和减少擦写次数等功能，从而可大大提高NOR FLASH的使用寿命。

(一)本发明的核心为基于系统时间的地址映射算法。即通过时间映射出曲线在NOR FLASH中的存储地址。该映射算法如图1所示：假设2010年1月1日0时0分0秒为参考起始时间，将这一时刻作为系统时间的0秒，在这一时刻的数据存储到NOR FLASH的0地址开始的n个字节，在p秒时的数据存储到NOR FLASH的n地址起始的n个字节，在2×p秒的数据存储到NOR FLASH的2×n地址起始的n个字节，依次类推。当时间达到m天时，将会覆盖原来最初的数据。

假设曲线的存储最长时间为m天，存储间隔为p秒，每次存储的空间大小为n字节，则所需的NOR FLASH存储空间为m×24×3600/p*n字节再加上一个块大小的空间(由于擦除时需要整块擦除，多出的一个块用于保证擦除最旧的曲线时，有效曲线的时间长度不小于m天)。

如图2所示，假设当前系统时间为T，首先将其换算为相对于参考起始时间的描述t，然后计算其在NOR FLASH地址为：(t％(m×24×3600))/p×n，其中％表示取模运算，A％B表示A除以B所得余数。

(二)基于以上映射策略，每次到需要存储曲线的时刻，根据系统时间可直接计算得到NOR FLASH的写入地址，将要存储的曲线时间+数据+CRC校验码写入NOR FLASH即可。由于系统时间是一直增大的，所以NOR FLASH的写入顺序也是从C地址开始递增，直到最大地址时，再绕回0地址写入，如图3所示，这样随着时间的推移，FLASH中存储曲线的区域各个位置被擦写的次数趋于一致，实现了NOR FLASH的磨损平衡，大大提高NOR FLASH的使用寿命。

(三)如图3所示，写入的数据包括时间，数据和CRC校验三部分，其中时间为要存储的曲线数据的存储时刻，数据为具体的曲线数值，CRC校验为时间+数据区域生成的校验码。由于每次存入的数据都带有CRC校验，且CRC校验位于数据尾部，在最后时刻写入。如果发生意外掉电导致一条曲线数据(时间+数据+CRC校验)不完整，则在读出数据时通过CRC校验可以发现，从而丢弃该条记录，避免数据不完整导致的后续错误。此外，如果某一条曲线数据没有更新，则其位置保存的数据实际为m天前的数值，此时可通过时间字段对曲线的实际记录时间进行校验，避免数据不正确导致的后续错误。

(四)由于曲线是滚动写入的，不会发生从中间位置插入数据的可能，由此使得另一种进一步提高NOR FLASH寿命的方法成为可能。由于NOR FLASH是块擦除，字节写入的设备，如果数据是随机写入的，则需要以下四个步骤：1)将要写入数据所属块的所有数据都读出到缓冲区；2)在缓冲区中修改要写入的数据；3)擦除整个块；4)将缓冲区写入N。这样，假设NOR FLASH一个块大小为4KB，每次写入长度为256B，

如果随机写入方式下，一个块被写满需要4×1024/256＝16次擦写周期。如果是滚动式写入的，则仅需要在写入地址包含块的起始地址时将块整体擦除一次，否则不擦除只是写入，这样写完一个块仅需要擦除一次，即一个块被写满仅需要1个擦写周期，NOR FLASH寿命延长至随机写入时的16倍。其具体算法如图4所示，其具体流程为：

1)判断起始地址是否在块的起始位置，如果在块的起始位置则需要首先把当前块擦除。

2)计算写入起始地址和结束地址的块号是否一致。如果一致，则说明写入的区域位于一个块的内部，由于块在使用前都是整块擦除过的，此时可直接写入数据即可。

3)如果不一致，则需要首先将数据的前半部分写入起始地址所在块号的尾部，然后将结束地址所在块整块擦除，然后将剩余的数据写入结束地址所在块的头部。

(五)当需要读取曲线时，其流程如图5所示，通过读取时间可以计算曲线的存储地址，从该地址将数据取出数据，校验曲线时间是否与请求的时间一致以及CRC校验码是否正确，如果均正确说明该数据为有效数据，可取出数据。否则表明该曲线为无效曲线，这种情况可能是由于存储曲线的时刻装置没有上电导致数据不正确或者存储曲线的时刻发生掉电导致数据不完整，此时可将曲线填充为无效数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法，其特征在于：

以flash存储器作为存储介质，通过基于系统时间的地址映射方法计算得到flash存储器的写入地址，将要存储的曲线写入，实现了存储介质磨损平衡、快速读写、数据完整性和减少擦写次数的功能，从而可大大提高使用寿命。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法，其特征在于基于系统时间的地址映射方法包括以下步骤：

1)获取当前系统时间T；

2)将当前系统时间T换算为相对于参考起始时间的描述t；

3)根据描述t计算曲线的写入地址为：(t％(m×24×3600))/p×n，其中％表示取模运算，m表示曲线的存储最长时间，单位为天，p为存储间隔时间，单位为秒，n为每次存储的空间大小，单位为字节；

4)在写入地址将要存储的曲线写入。

3.根据权利要求2所述的一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法，其特征在于所述步骤4)包括以下步骤：

41)判断写入地址的起始地址是否在flash存储器的块的起始位置，如果在块的起始位置则需要首先把当前块擦除；

42)计算写入地址的起始地址和结束地址的块号是否一致，如果一致，则说明曲线写入的区域位于一个块的内部，由于块在使用前都是整块擦除过的，此时可直接写入曲线即可；

43)如果不一致，则需要首先将曲线的前部分写入起始地址所在块号的尾部，然后将结束地址所在块整块擦除，然后将剩余的曲线写入结束地址所在块的头部。

4.根据权利要求1所述的一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法，其特征在于：要存储的曲线包括时间，数据和CRC校验三部分，其中时间为要存储的曲线数据的存储时刻，数据为具体的曲线数值，CRC校验为时间以及数据区域生成的校验码。

5.根据权利要求4所述的一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法，其特征在于：当需要读取曲线时，通过读取时间可以计算曲线的存储地址，从该地址将数据取出，校验曲线时间是否与请求的时间一致，以及CRC校验码是否正确，如果均正确说明该数据为有效数据，可取出数据，否则表明该曲线为无效曲线，将曲线填充为无效数据。

6.根据权利要求1所述的一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法，其特征在于：所述flash存储器为采用SPI串行接口的flash存储器。

7.根据权利要求1所述的一种嵌入式系统的长寿命曲线记录方法，其特征在于：所述flash存储器为NOR Flash。