CN111159123B - 一种嵌入式可靠参数储存文件系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式可靠参数储存文件系统及方法，包括储存设备模块、逻辑储存设备模块和文件系统核心模块；逻辑储存设备模块对物理储存设备进行虚拟得到虚拟设备；储存设备模块与逻辑储存设备模块进行关联，储存传输的参数文件数据；文件系统核心模块通过虚拟设备与储存设备模块进行参数文件数据的交互，进行参数文件数据校验，当所述储存设备模块存在冗余储存设备时，所述文件系统核心模块进行错误自我修复；所述嵌入式可靠参数储存文件系统可以通过内置的接口进行出厂参数的储存，并通过嵌入式系统的内置程序进行现场参数的储存或者通过烧写器进行现场参数的储存，从而隔离出厂参数避免造成数据污染。

Description

一种嵌入式可靠参数储存文件系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，具体涉及一种嵌入式可靠参数储存文件系统及方法。

背景技术

嵌入式系统是一种软硬件结合的用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置，是一种计算机系统，目前在各行各业都得到广泛的应用。一般的嵌入式系统的数据空间分为固有程序数据和可变参数两部分，其中可变参数部分用于存放硬件固有偏差的修正数据、程序额外运行参数等各种形式的数据，这些参数主要分为出厂参数和现场参数两类，出厂参数是在系统生产测试完成后确定的参数，现场参数是从系统部署到现场调试测验后确定的参数，并且这两种参数都会对系统的最终运行结果产生影响。

从开发测试等多种角度考虑，预留独立的参数空间都是比进行硬编码数据更佳的选择，因此无即使是高度定制化的嵌入式系统，都可能会预留存放参数的空间，目前常用的存放参数的空间一般为EEPROM、NORFLASH或者是MCU内置的FLASH。

目前嵌入式系统常见的简易储存方法为将原始数据加上数据校验位直接放入储存单元，简单直接，但是数据的可靠性不高，难以适应来源不同的两种参数类型的输入，且进行人为操作时操作失误容易导致数据污染，嵌入式系统中的API难以统一增加了需求扩展时进行代码重构的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前嵌入式系统存储可变参数的储存单元数据可靠性不高，储存空间有限且不具备自我修复错误的功能，嵌入式系统不能适应出厂参数和现场参数两种不同类型参数的输入，人为操作容易造成数据污染，嵌入式系统内基本读写操作的API难以统一且不能跨平台实现，以及可变参数的需求进行变更时，难以进行代码重构的问题，目的在于提供一种嵌入式可靠参数储存文件系统及方法，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种嵌入式可靠参数储存文件系统，包括储存设备模块、逻辑储存设备模块和文件系统核心模块；

所述逻辑储存设备模块对所述储存设备模块的物理储存设备进行虚拟得到虚拟设备，所述虚拟设备提供设备信息，所述设备信息包括实际关联的物理储存设备数量、物理储存设备基本信息和对应软件驱动接口；

所述储存设备模块与所述逻辑储存设备模块进行关联，使得所述逻辑设备储存模块进行物理储存设备的虚拟，储存所述文件系统核心模块传输的参数文件数据；

所述文件系统核心模块接收所述虚拟设备提供的设备信息，通过所述设备信息调用储存设备驱动与所述储存设备模块进行参数文件数据的交互，所述文件系统核心模块进行参数文件数据校验，且当所述储存设备模块存在冗余储存设备时，所述文件系统核心模块进行错误自我修复。

文件系统是通过储存设备的驱动程序进行储存，但是设备的驱动程序与具体设备有关，不同的设备的驱动程序是不同的，接口也是不同的，因此本发明中使用逻辑储存设备模块，通过逻辑储存设备模块的内部代码进行不同类型设备和通信接口的统一化虚拟处理，通过虚拟化处理得到一个或多个虚拟设备，这些设备为文件系统提供设备信息，通过所述设备信息所述文件系统可以得知储存设备模块存在几个设备、每个设备的空间大小、可用空间起始地址、对应软件驱动接口。

所述虚拟设备是一种设备信息的集合，它向文件系统提供了一种统一的接口和操作模式，使得文件系统可以用相同方式操作任何一种类型的储存设备，从而实现文件系统的跨平台功能；虚拟设备包含了物理设备以及使用空间，多个虚拟设备可以指向同一个物理设备，但是使用空间不能重叠，从而保障了不同空间的数据不会相互影响，通过储存设备模块与逻辑储存设备模块的关联，文件系统在通过统一的方式进行操作时，参数文件数据可以通过不同的形式与储存设备进行交互。

在本发明中，文件系统核心模块本身具有参数文件数据校验功能，当文件系统的储存设备存在冗余时，不论设备是否相同还是只是存在单个设备，都可以在读操作时进行错误的自我修复。

进一步的，所述冗余储存设备包括：储存设备相同的对称冗余储存、储存设备不同的非对称冗余储存和单个储存设备的非物理冗余-逻辑冗余储存。

本发明中文件系统的储存设备的数量可以根据实际的嵌入式需求来定，当储存设备物理上相同时为“对称冗余”，所述逻辑储存设备模块得到的虚拟设备通过相同的方式与储存设备交互；当用于冗余储存的设备物理上不相同时称为“非对称冗余”，在这种情况下，两种物理储存设备的容量和可用区域很可能是不相同的，因此将两种储存设备都通过逻辑储存设备模块为每个设备设定各自的信息，保证每个虚拟设备的空间大小相同，但文件系统核心模块无需知晓逻辑设备的物理差异；

冗余储存在高可靠嵌入式系统的设计中比较常见，但在成本优先、结构紧凑优先等不同设计目标下的嵌入式系统一般不会设计冗余储存设备。此时，在单个储存设备容量允许的情况下可通过逻辑储存设备模块将单个物理储存设备的两个区域映射为两个容量相等的虚拟设备，从而进行错误自我修复。

进一步的，错误自我修复过程包括：

当所述文件系统触发读文件操作时，检查参数是否有效；

当所述参数有效时，判断读文件操作是否结束；

当读文件操作没有结束时，所述文件系统读取虚拟设备0，并校验所述虚拟设备0的数据是否有效；

当所述虚拟设备0的数据无效时，所述文件系统读取虚拟设备1，并校验所述虚拟1的数据是否有效；

当所述虚拟设备1的数据有效时，所述文件系统读取的文件数据覆盖所述虚拟设备0储存的相同位置的文件数据，所述文件系统更新文件描述符内部数据；

当所述参数无效、所述文件系统读文件操作结束或者所述虚拟设备1的数据校验无效时，结束所述文件系统的自我修复；

当所述虚拟设备0的数据校验有效时，所述文件系统更新文件描述符内部数据，结束所述文件系统的自我修复。

在本发明中不同类型的冗余储存设备的错误自我修复功能是相同的，且冗余储存设备存放的参数文件数据是完全相同的，且错误自我修复功能是必须基于冗余的储存设备进行，当不存在冗余储存设备且储存容量也不允许划分逻辑设备时，文件系统具有校验功能只进行错误检测，但不具备错误自我修复功能；

当文件系统进行写操作时不触发检测与修复，但每次更新内容都会下发到冗余储存设备中；

上电期间，初次尝试识别文件系统时仅检测超级块的有效性，参数文件数据即使有错误也不触发修复功能，避免了文件系统在设备关联配置错误的情形下，自动覆盖了储存设备内包含的其它有效数据的设备内容，造成数据污染；

在读文件操作时触发检测和错误自我修复功能，从而对参数文件节点与参数文件数据有效性进行检测和错误自我修复。

进一步的，所述文件系统核心模块包括文件系统信息区和文件数据区，所述文件系统信息区包括超级块区和节点区；

所述文件系统信息区存放文件系统信息；

所述超级块区存放所述文件系统的关键描述信息；

所述节点区存放文件数据的地址空间信息以及节点信息数据；

所述文件数据区存放所述节点区的地址空间对应的具体文件数据。

在本发明中所述节点区存放节点信息数据，所述节点信息包括参数文件数据的有效性、文件的起始数据块等信息，所述节点区为了简化文件系统的设计，降低文件系统开销，每个节点直接对应1个文件，节点数量代表了最大能创建的文件数量；节点描述的文件地址空间为连续的，则文件一旦创建不能随意增大；

所述文件系统信息区存放在储存设备的开头，每次参数文件数据信息有变更时所述文件系统信息区的数据也会发生变更。虽然EEPROM、FLASH等物理储存设备有擦除次数限制，但是一般的嵌入式系统的参数变更次数不多，即使物理储存设备只有一千次的擦除上限，也完全能满足实际应用需求。因此文件系统信息区固定并不会带来明显坏处，同时还有利于直接从物理储存设备提取和分析原始数据。

进一步的，所述文件系统设置在微控制器上，所述微控制器与上位机进行交互；

所述文件系统内置基本的操作API；

所述文件系统还包括系统应用，所述系统应用与所述文件系统核心模块进行交互。

本发明中文件系统基本的操作API包括：mkfs()用于格式化逻辑储存设备，但是需指定分配基本块大小，以及最大文件数量；create()用于创建文件，但是需设定文件名以及文件最大是多少；open()用于打开文件，返回文件描述符；close()用于关闭文件，同时会进行数据同步到设备的动作；read()用于读取文件数据到内存缓冲中；write()用于写数据到文件中；seek()用于更改文件描述符中的操作偏移值；remove()用于删除指定文件；rename()用于变更文件名。

进一步的，文件系统本身代码可跨平台，在PC端编译；

当所述文件系统在PC端使用时修改逻辑储存设备模块的配置，将所述PC端的系统文件操作模拟为储存设备操作，进行参数文件数据的储存。

进一步的，所述不同类型参数的储存包括：

当所述文件系统触发参数输入操作时，所述文件系统判断输入参数的类型；

当输入参数类型为出厂参数时，所述文件系统通过文件系统内置的接口完成所述出厂参数的读写；

当输入参数类型为现场参数时，所述文件系统通过间接或者直接方式进行所述现场参数的读写。

进一步的，所述现场参数读写的间接方式包括：

所述现场参数通过上位机传输给所述微控制器；

所述微控制器通过内置应用程序传输所述现场参数给所述文件系统；

所述文件系统内置的接口通过虚拟设备调用储存设备驱动将所述现场参数储存到储存设备。

本发明中现场参数的间接方式在进行现场参数的操作时，现场参数相关文件与出厂参数文件的隔离工作由嵌入式系统内置程序完成，现场使用者不会更改到出厂参数文件，避免了数据的污染。

进一步的，所述现场参数读写的直接方式包括：

将所述嵌入式可靠参数储存文件系统进行断电操作；

在断电后，所述可靠参数储存文件系统将储存设备拆卸后放置在专用烧写器上；

所述文件系统的PC端程序与所述烧写器进行连接，并通过所述烧写器的软件读取储存设备中的原始数据；

所述文件系统PC端程序进行所述原始数据的处理解析生成二进制文件；

将所述二进制文件通过所述烧写器储存到储存设备中；

完成所述现场参数的读写后，将所述储存设备重新放回嵌入式可靠参数储存文件系统；

将所述嵌入式可靠参数储存文件系统进行上电操作。

本发明中通过将储存设备拆卸下来，并配合文件系统PC端程序进行现场参数的读写操作，从而避免误操作导致的出厂参数或文件系统被破坏，同时有助于离线分析储存设备中的数据，为调试、错误分析提供支持。

本发明在进行储存设备拆卸之前会对嵌入式可靠参数储存文件系统进行断电操作，此时嵌入式可靠参数储存文件系统不在进行工作，在完成现场参数的读写操作后，将所述储存设备放回嵌入式可靠参数储存文件系统原来的位置，然后对整个嵌入式可靠参数储存文件系统进行上电操作，使得嵌入式可靠参数储存文件系统重新开始运行工作。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种可靠参数储存文件系统及方法，所述可靠参数储存文件系统的内部对文件内容、元数据都是用CRC校验提供正确性检测，提高了数据的可靠性；

2、本发明一种可靠参数储存文件系统及方法，所述可靠参数储存文件系统在具备冗余储存的情况下，实现自我错误修复，提高了数据的可靠性与所述系统的可用性；

3、本发明一种可靠参数储存文件系统及方法，所述可靠参数储存文件系统将系统的API统一，且通过逻辑设备储存模块进行物理储存设备的虚拟，得到统一的接口与操作方式，使所述系统在不同项目、不同平台的软件环境中的使用没有差别；

4、本发明一种可靠参数储存文件系统及方法，所述可靠参数储存文件系统具备输入出厂参数和现场参数两种不同类型参数的功能，为两种参数提供一定程度的隔离保护，避免了数据污染；

5、本发明一种可靠参数储存文件系统及方法，所述可靠参数储存文件系统可以在PC端运行，提供了离线分析储存设备数据的能力；

6、本发明一种可靠参数储存文件系统及方法，所述可靠参数储存文件系统可以在无操作系统和RTOS实时系统中使用，且具有轻量和开销小的特性，能够适应于资源紧张的MCU等设备。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明可靠参数储存文件系统的软硬件关系示意图；

图2为本发明文件系统与外部对称冗余储存设备连接关系示意图；

图3为本发明文件系统与外部非对称冗余储存设备连接关系示意图；

图4为本发明文件系统与逻辑冗余储存设备连接关系示意图；

图5为本发明文件系统非冗余储存连接关系示意图；

图6为本发明可靠参数储存文件系统核心模块结构示意图；

图7为本发明文件系统自我修复错误功能的流程图；

图8为本发明通过嵌入式系统内置程序间接操作现场参数示意图；

图9为本发明通过PC端直接操作现场参数示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，一种嵌入式可靠参数储存文件系统，包括储存设备模块、逻辑储存设备模块和文件系统核心模块；

所述逻辑储存设备模块对所述储存设备模块的物理储存设备进行虚拟得到虚拟设备，所述虚拟设备提供设备信息，所述设备信息包括实际关联的物理储存设备数量、物理储存设备基本信息和对应软件驱动接口；

所述储存设备模块与所述逻辑储存设备模块进行关联，使得所述逻辑设备储存模块进行物理储存设备的虚拟，储存所述文件系统核心模块传输的参数文件数据；

所述文件系统核心模块接收所述虚拟设备提供的设备信息，通过所述设备信息调用储存设备驱动与所述储存设备模块进行参数文件数据的交互，所述文件系统核心模块进行参数文件数据校验，且当所述储存设备模块存在冗余储存设备时，所述文件系统核心模块进行错误自我修复。

如图2、图3、图4所示，所述冗余储存设备包括：

储存设备相同的对称冗余储存、储存设备不同的非对称冗余储存和单个储存设备的非物理冗余-逻辑冗余储存。

如图5所示，当文件系统不存在冗余储存设备时，所示文件系统核心模块具有校验功能，可进行错误检测，但不进行错误自我修复。

如图7所示，错误自我修复过程包括：

当所述文件系统触发读文件操作时，检查参数是否有效；

当所述参数有效时，判断读文件操作是否结束；

当读文件操作没有结束时，所述文件系统读取虚拟设备0，并校验所述虚拟设备0的数据是否有效；

当所述虚拟设备0的数据无效时，所述文件系统读取虚拟设备1，并校验所述虚拟1的数据是否有效；

当所述虚拟设备1的数据有效时，所述文件系统读取的文件数据覆盖所述虚拟设备0储存的相同位置的文件数据，所述文件系统更新文件描述符内部数据；

当所述参数无效、所述文件系统读文件操作结束或者所述虚拟设备1的数据校验无效时，结束所述文件系统的自我修复；

当所述虚拟设备0的数据校验有效时，所述文件系统更新文件描述符内部数据，结束所述文件系统的自我修复。

如图6所示，所述文件系统核心模块包括文件系统信息区和文件数据区，所述文件系统信息区包括超级块区和节点区；

所述文件系统信息区存放文件系统信息；

所述超级块区存放所述文件系统的关键描述信息；

所述节点区存放文件数据的地址空间信息以及节点信息数据；

所述文件数据区存放所述节点区的地址空间对应的具体文件数据。

所述超级块的数据结构包括：

所述节点区的数据结构包括：

所述文件系统设置在微控制器上，所述微控制器与上位机进行交互；所述文件系统内置基本的操作API；

文件系统基本的操作API包括：

mkfs()用于格式化逻辑储存设备，但是需指定分配基本块大小，以及最大文件数量；

create()用于创建文件，但是需设定文件名以及文件最大是多少；

open()用于打开文件，返回文件描述符；

close()用于关闭文件，同时会进行数据同步到设备的动作；

read()用于读取文件数据到内存缓冲中；

write()用于写数据到文件中；

seek()用于更改文件描述符中的操作偏移值；

remove()用于删除指定文件；

rename()用于变更文件名。

所述文件系统还包括系统应用，所述系统应用与所述文件系统核心模块进行交互。

如图9所示，文件系统本身代码可跨平台，在PC端编译；

当所述文件系统在PC端使用时修改逻辑储存设备模块的配置，将所述PC端的系统文件操作模拟为储存设备操作，进行参数文件数据的储存。

如图8、图9所示，所述不同类型参数的储存包括：

当所述文件系统触发参数输入操作时，所述文件系统判断输入参数的类型；

当输入参数类型为出厂参数时，所述文件系统通过文件系统内置的接口完成所述出厂参数的读写；

当输入参数类型为现场参数时，所述文件系统通过间接或者直接方式进行所述现场参数的读写。

所述现场参数读写的间接方式包括：

所述现场参数通过上位机传输给所述微控制器；

所述微控制器通过内置应用程序传输所述现场参数给所述文件系统；

所述文件系统内置的接口通过虚拟设备调用储存设备驱动将所述现场参数储存到储存设备。

所述现场参数读写的直接方式包括：

将所述嵌入式可靠参数储存文件系统进行断电操作；

在断电后，所述可靠参数储存文件系统将储存设备拆卸后放置在专用烧写器上；

所述文件系统的PC端程序与所述烧写器进行连接，并通过所述烧写器的软件读取储存设备中的原始数据；

所述文件系统PC端程序进行所述原始数据的处理解析生成二进制文件；

将所述二进制文件通过所述烧写器储存到储存设备中；

完成所述现场参数的读写后，将所述储存设备重新放回嵌入式可靠参数储存文件系统；

将所述嵌入式可靠参数储存文件系统进行上电操作。

本发明中通过将储存设备拆卸下来，并配合文件系统PC端程序进行现场参数的读写操作，从而避免误操作导致的出厂参数或文件系统被破坏，同时有助于离线分析储存设备中的数据，为调试、错误分析提供支持。

本发明在进行储存设备拆卸之前会对嵌入式可靠参数储存文件系统进行断电操作，此时嵌入式可靠参数储存文件系统不在进行工作，在完成现场参数的读写操作后，将所述储存设备放回嵌入式可靠参数储存文件系统原来的位置，然后对整个嵌入式可靠参数储存文件系统进行上电操作，使得嵌入式可靠参数储存文件系统重新开始运行工作。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种嵌入式可靠参数储存文件系统，其特征在于，包括储存设备模块、逻辑储存设备模块和文件系统核心模块；

所述逻辑储存设备模块对所述储存设备模块的物理储存设备进行虚拟得到虚拟设备，所述虚拟设备提供设备信息，所述设备信息包括实际关联的物理储存设备数量、物理储存设备基本信息和对应软件驱动接口；

所述储存设备模块与所述逻辑储存设备模块进行关联，使得所述逻辑储存设备模块进行物理储存设备的虚拟，储存所述文件系统核心模块传输的参数文件数据；

所述文件系统核心模块接收所述虚拟设备提供的设备信息，通过所述设备信息调用储存设备驱动与所述储存设备模块进行参数文件数据的交互，所述文件系统核心模块进行参数文件数据校验，且当所述储存设备模块存在冗余储存设备时，所述文件系统核心模块进行错误自我修复；

在读文件操作时触发检测和错误自我修复功能，从而对参数文件节点与参数文件数据有效性进行检测和错误自我修复；

其中，错误自我修复过程包括：

当所述文件系统触发读文件操作时，检查参数是否有效；

当所述参数有效时，判断读文件操作是否结束；

当读文件操作没有结束时，所述文件系统读取虚拟设备0，并校验所述虚拟设备0的数据是否有效；

当所述虚拟设备0的数据无效时，所述文件系统读取虚拟设备1，并校验所述虚拟设备1的数据是否有效；

当所述虚拟设备1的数据有效时，所述文件系统读取的文件数据覆盖所述虚拟设备0储存的相同位置的文件数据，所述文件系统更新文件描述符内部数据；

当所述参数无效、所述文件系统读文件操作结束或者所述虚拟设备1的数据校验无效时，结束所述文件系统的自我修复；

当所述虚拟设备0的数据校验有效时，所述文件系统更新文件描述符内部数据，结束所述文件系统的自我修复。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式可靠参数储存文件系统，其特征在于，所述冗余储存设备包括：

储存设备相同的对称冗余储存、储存设备不同的非对称冗余储存和单个储存设备的非物理冗余-逻辑冗余储存。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式可靠参数储存文件系统，其特征在于，所述文件系统核心模块包括文件系统信息区和文件数据区，所述文件系统信息区包括超级块区和节点区；

所述文件系统信息区存放文件系统信息；

所述超级块区存放所述文件系统的关键描述信息；

所述节点区存放文件数据的地址空间信息以及节点信息数据；

所述文件数据区存放所述节点区的地址空间对应的具体文件数据。

4.根据权利要求1所述的一种嵌入式可靠参数储存文件系统，其特征在于，所述文件系统设置在微控制器上，所述微控制器与上位机进行交互；

所述文件系统内置基本的操作API；

所述文件系统还包括系统应用，所述系统应用与所述文件系统核心模块进行交互。

5.根据权利要求1所述的一种嵌入式可靠参数储存文件系统，其特征在于，文件系统本身代码可跨平台，在PC端编译；

当所述文件系统在PC端使用时修改逻辑储存设备模块的配置，将所述PC端的系统文件操作模拟为储存设备操作，进行参数文件数据的储存。

6.应用于权利要求1~5任意一项所述的一种嵌入式可靠参数储存文件系统的储存方法，其特征在于，不同类型参数的储存包括：

当所述文件系统触发参数输入操作时，所述文件系统判断输入参数的类型；

当输入参数类型为出厂参数时，所述文件系统通过文件系统内置的接口完成所述出厂参数的读写；

当输入参数类型为现场参数时，所述文件系统通过间接或者直接方式进行所述现场参数的读写。

7.根据权利要求6所述的一种嵌入式可靠参数储存文件系统的储存方法，其特征在于，所述现场参数读写的直接方式包括：

将所述嵌入式可靠参数储存文件系统进行断电操作；

在断电后，所述可靠参数储存文件系统将储存设备拆卸后放置在专用烧写器上；

所述文件系统的PC端程序与所述烧写器进行连接，并通过所述烧写器的软件读取储存设备中的原始数据；

所述文件系统PC端程序进行所述原始数据的处理解析生成二进制文件；

将所述二进制文件通过所述烧写器储存到储存设备中；

完成所述现场参数的读写后，将所述储存设备重新放回嵌入式可靠参数储存文件系统；

将所述嵌入式可靠参数储存文件系统进行上电操作。

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