CN114035741B - 一种flash寿命优化的数据存储方法、装置、设备及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种FLASH寿命优化的数据存储方法、装置、设备及介质，数据存储方法包括：设计存储数据模型，将同一周期内的存储数据按照存储模型封装，保证同一周期数据存储在同一Flash扇区内；增加存储数据校验，对同一Flash扇区内的存储数据计算校验和并存储，能够保证存储数据可靠性，便于数据处理；建立存储数据索引，Flash扇区编号与擦除次数对应，以均衡使用所有存储扇区，减少Flash各扇区擦除次数不均衡的情况，通过索引能够监控Flash寿命状况。

Description

一种FLASH寿命优化的数据存储方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明属于嵌入式系统应用软件技术领域，特别涉及一种FLASH寿命优化的数据存储方法、装置、设备及介质。
背景技术
嵌入式系统在运行过程中，对于性能参数、工作状态等数据有大量非易失存储需求，以便依据存储数据进行事后分析和维护诊断等。Flash作为典型的非易失存储器具有容量大、功耗低、可擦写次数多、控制灵活等特点，因此广泛用于构建嵌入式系统内部或外部的非易失存储空间。与内存、磁盘等存储介质不同，Flash存储器的每个存储单元只有在擦除以后才能写入数据，擦除的基本单位由一定个数读、写基本单元组成，一个可擦除的基本单位称为一个扇区。通常扇区擦除操作所需的时间比写入操作多一个数量级，并且每个扇区允许的擦除次数是有限的，这个擦除次数决定了Flash存储器的寿命。
嵌入式系统设计时，Flash存储器容量应当大于单次工作过程中需要存储的数据量，否则系统设计不符合使用需求。设Flash存储器的容量为v，扇区集合为s，其个数为k，单个扇区容量为ls，则v＝ls*k。目前，嵌入式应用软件在使用Flash进行数据存储时，通常按照以下方法进行：
(1)应用软件申请内存空间r，大小至少为一个扇区容量ls，为了便于处理，内存空间r大小通常为2*ls，用于Flash数据存储的缓存；
(2)应用软件运行过程中，将需要存储的数据保存在内存空间r内，当内存空间r内数据长度等于ls后，擦除扇区s1，将内存空间r内ls长度的数据写入s1；
(3)重复过程2，依次将数据存入Flash扇区s2，s3……；
(4)嵌入式系统再次上电工作时，重复上述过程。
该Flash数据存储方法空间分配如图1所示。
该Flash数据存储方法中，存在以下缺陷：
(1)在嵌入式系统工作过程中，Flash存储器扇区使用分布不均衡。嵌入式系统设计时，Flash存储器通常会按照预留余量设计，Flash实际扇区个数k大于数据存储需要的扇区个数n，即Flash存储器容量v大于系统单次工作时需要存储的数据量。由图1可以看出，因系统工作状况不同，Flash存储器扇区s1至sn的使用概率依次降低，sn至sk的扇区在系统寿命内未被使用，导致Flash存储器扇区使用不均衡，Flash整体寿命缩短。
(2)同一周期存储数据可能在不同扇区，不便于数据的处理。为了减少Flash扇区擦除次数，该方法将内存空间r缓存满后再进行扇区擦除和写入，设应用软件同一周期需要缓存的数据集合为p，其长度为lp，由图1可以看出，同一周期的数据在内存空间r内缓存，通常ls不会恰好满足为lp的整数倍，因此周期数据p可能存储在两个扇区内，如图1所示，p4实际存储于s1、s2两个扇区，对于数据处理增加难度。
(3)上述Flash数据存储方法无法获取Flash扇区擦除次数，因而无法统计Flash的使用寿命情况。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种FLASH寿命优化的数据存储方法、装置、设备及介质，以达到均衡使用Flash各扇区，延长其使用寿命；或者提高数据存储的可靠性和易处理性；或者同时能够在Flash使用过程中监控其寿命状况的至少一个目的。
为了克服现有技术中的不足，达到上述至少一个目的，本发明提供的一种FLASH寿命优化的数据存储方法、装置、设备及介质，设计存储数据模型，将同一周期内的存储数据按照存储模型封装，保证同一周期数据存储在同一Flash扇区内；增加存储数据校验，对同一Flash扇区内的存储数据计算校验和并存储，能够保证存储数据可靠性，便于数据处理；建立存储数据索引，Flash扇区编号与擦除次数对应，以均衡使用所有存储扇区，减少Flash各扇区擦除次数不均衡的情况，通过索引能够监控Flash寿命状况。
本发明提供的技术方案具体阐述如下。
第一方面，一种FLASH寿命优化的数据存储方法，包括如下步骤：
步骤(1)，设计存储数据模型，将单一周期需存储的数据集合p头部添加帧头、帧计数，尾部添加帧尾，以辨别不同周期的存储数据；单个扇区的容量已知，在设计数据存储模型时，满足如下关系：
ls％lp≥5 (1)
式(1)中，lp为单一周期需存储的数据集合p的数据长度；ls为单个扇区容量，式(1)确保整数个数据集合p分布在Flash同一扇区后，至少剩余5字节的地址空间，其中5字节的地址空间用于后续存储校验和及索引值，大于5字节又不足lp的剩余部分可以作为预留区；
步骤(2)，将需要存储的数据集合p缓存在内存空间r内，r内缓存数据满足ls/lp整数个后，采用crc校验方式获得缓存数据crc校验和；其中，内存空间r满足如下条件：lr≥ls，lr为内存缓存的长度；
步骤(3)，运行数据存储时，读取Flash存储器全部k个扇区的索引，查询索引中的最大值；获取索引最大值后对k求模即得到上次运行存储使用的最后一个Flash扇区编号，本次运行即使用该扇区编号后的一个扇区作为起始存储扇区；将内存空间r内缓存数据写入该扇区，将crc校验和存储在Flash扇区剩余地址空间内，同时索引增加1后存储在该Flash扇区剩余地址空间；
步骤(4)，重复步骤(2)和(3)，依次将数据存入Flash扇区。
进一步地，步骤(3)中，扇区剩余地址空间中预留区、校验和、数据索引的设置区间或存储位置可调。
进一步地，步骤(3)中，所述查询索引中的最大值以确定起始存储扇区步骤中：
①如果获得的扇区索引值除0xffffff外无其他值，则取Flash存储器的第一个扇区作为起始存储扇区；
②如果获得的扇区索引值除0xffffff外存在其他有效值，则获取有效值中的最大值；如果获得的扇区索引值无0xffffff，则正常获取索引的最大值；获取索引最大值后对k求模即得到上次运行存储使用的最后一个Flash扇区编号，本次运行即使用该扇区编号后的一个扇区作为起始存储扇区。
第二方面，一种FLASH寿命优化的数据存储装置，包括存储数据模型设计模块、存储数据校验模块、数据存储运行模块和存储数据索引模块：
存储数据模型设计模块：用于设计存储数据模型，将单一周期需存储的数据集合p头部添加帧头、帧计数，尾部添加帧尾，以辨别不同周期的存储数据；单个扇区的容量已知，在设计数据存储模型时，满足如下关系：
ls％lp≥5 (1)
式(1)中，lp为单一周期需存储的数据集合p的数据长度；ls为单个扇区容量，式(1)确保整数个数据集合p分布在Flash同一扇区后，至少剩余5字节的地址空间，其中5字节的地址空间用于后续存储校验和及索引值，大于5字节又不足lp的剩余部分可以作为预留区；
存储数据校验模块，用于将需要存储的数据集合p缓存在内存空间r内，r内缓存数据满足ls/lp整数个后，采用crc校验方式获得缓存数据crc校验和；其中，内存空间r满足如下条件：lr≥ls，lr为内存缓存的长度；
数据存储运行模块，用于在运行数据存储时，读取Flash存储器全部k个扇区的索引，查询索引中的最大值；获取索引最大值后对k求模即得到上次运行存储使用的最后一个Flash扇区编号，本次运行即使用该扇区编号后的一个扇区作为起始存储扇区；将内存空间r内缓存数据写入该扇区，将crc校验和存储在Flash扇区剩余地址空间内；
存储数据索引模块，用于在运行数据存储时，将最大索引值增加1后存储在当前Flash扇区剩余地址空间内。
进一步地，所述数据存储运行模块，在查询索引中的最大值以确定起始存储扇区时，如果获得的扇区索引值除0xffffff外无其他值，则取Flash存储器的第一个扇区作为起始存储扇区；
如果获得的扇区索引值除0xffffff外存在其他有效值，则获取有效值中的最大值；如果获得的扇区索引值无0xffffff，则正常获取索引的最大值；获取索引最大值后对k求模即得到上次运行存储使用的最后一个Flash扇区编号，本次运行即使用该扇区编号后的一个扇区作为起始存储扇区。
第三方面，一种FLASH寿命优化的数据存储设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实施第一方面所述的FLASH寿命优化的数据存储方法。
第四方面，一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实施第一方面所述的FLASH寿命优化的数据存储方法。
根据本发明提供的一种FLASH寿命优化的数据存储方法、装置、设备及介质，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种FLASH寿命优化的数据存储方法、装置、设备及介质，设计存储数据模型，将同一周期内的存储数据按照存储模型封装，保证同一周期数据存储在同一Flash扇区内；同时增加存储数据校验，对同一Flash扇区内的存储数据计算校验和并存储，Flash各扇区内存储数据易于分离处理，保证数据可靠性；
(2)本发明提供的一种FLASH寿命优化的数据存储方法、装置、设备及介质，建立存储数据索引，Flash扇区编号与擦除次数对应，使Flash存储器在寿命期内各扇区使用次数均衡，增加Flash存储器整体使用寿命；
(3)本发明提供的一种FLASH寿命优化的数据存储方法、装置、设备及介质，存储索引能够反映Flash使用寿命情况，提高系统存储数据可靠性。
附图说明
图1是常用Flash数据存储方法示意图；
图2是本发明数据集合p存储格式示意图；
图3是本发明改进Flash数据存储方法示意图；
图4是本发明改进Flash数据存储方法执行流程图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明的第一方面，提供了一种FLASH寿命优化的数据存储方法，设应用程序单一周期需存储的数据集合为p，其数据长度为lp；Flash存储器的存储容量为v，扇区集合为s，其个数为k，单个扇区容量为ls；内存缓存为r，其长度为lr；该数据存储方法包括如下步骤：
(1)设计存储数据模型
单一周期需存储的数据集合p设计为如图2所示存储格式。将单一周期需存储的数据集合p头部添加帧头、帧计数，尾部添加帧尾，通过帧头、帧尾和帧计数，能够辨别不同周期的存储数据，容易区别存储数据在时间维度上的先后次序。单个扇区的容量已知，在设计数据存储模型时，应当满足如下关系：
ls％lp≥5 (1)
式(1)是设计存储数据模型时，确保整数个p分布在Flash同一扇区后，至少剩余5字节的地址空间，这一地址空间在每个扇区的尾部，用于后续存储校验和及索引值，大于5字节又不足lp的剩余部分可以作为预留区，这样能够保证同一周期数据存储在同一Flash扇区内。
(2)增加存储数据校验
当r内缓存数据满足(ls/lp)整数个后，采用crc校验方式，对缓存数据计算crc校验和。Flash存储器是按照扇区进行擦除和写入操作的，对同一扇区所有存储数据计算1次校验和能够保证数据正确性，减少每一周期存储数据均计算校验和的重复工作，提高了存储效率。由式(1)，可将crc校验和存储在Flash扇区剩余地址空间内，如剩余地址空间的第ls-3和ls-4地址空间中。其中，内存空间r应当满足如下条件：
lr≥ls (2)
式(2)是保证内存缓存r内能够缓存一个扇区容量ls的数据，以保证在缓存足够数据后，仅擦除一次本次待写入扇区，减少扇区擦除次数。
数据处理时，读取同一扇区存储数据后，按照同样约定进行校验和计算，与Flash扇区内存储的校验和进行比较以确定数据是否正确。同时，对于Flash扇区读写异常的情况，也能够通过校验进行甄别，增加了数据存储的可靠性。
(3)建立存储数据索引
由式(1)，将每个扇区最后3个字节作为存储索引，存储索引与扇区编号为求模对应关系，扇区编号与索引约定从0开始。当使用扇区0进行数据存储时，索引值存储0，当使用扇区1进行数据存储时，索引值存储1，以此类推。当索引值为Flash扇区总数k时，重新使用扇区0进行数据存储，索引值存储k。3个字节可以表示2^24共16777216个索引，能够覆盖Flash存储器的擦除寿命。每次擦除扇区进行存储时，将索引写入扇区最后3个字节地址空间中，即ls-0、ls-1和ls-2。当然，扇区剩余地址空间中预留区的位置、存储校验和及数据索引的存储位置均可设置，如在扇区剩余地址空间中三者顺序可依次为预留区、校验和、数据索引，也可为校验和、数据索引、预留区。
设计存储数据模型、增加存储数据校验、建立存储数据索引后，Flash数据存储空间分配如图3所示。
(4)执行数据存储
按照图3所示Flash数据存储空间，每次系统运行时，首先读取Flash存储器全部k个扇区的索引，查询索引中的最大值；Flash存储器中若存在未操作扇区，则读取其初始值每一bit均为1，所以未操作的扇区索引值一定为0xffffff(十六进制表示形式，等同于十进制16777216)，而该值一般是远大于Flash扇区擦除寿命次数的，因此在计算索引中最大值时不考虑该初始值。
(i)如果获得的扇区索引值除0xffffff外无其他值，则取Flash存储器的第一个扇区实施存储；
(ii)如果获得的扇区索引值除0xffffff外存在其他有效值，则获取有效值中的最大值；
(iii)如果获得的扇区索引值无0xffffff，则正常获取索引的最大值；
获取索引最大值后对k求模即得到上次运行存储使用的最后一个Flash扇区编号，本次运行即使用该扇区编号后的一个扇区作为起始存储扇区，同时索引增加1，以此类推。执行流程如图4所示。
根据本发明的第二方面，提供了一种FLASH寿命优化的数据存储装置，包括存储数据模型设计模块、存储数据校验模块、数据存储运行模块和存储数据索引模块：
存储数据模型设计模块：用于设计存储数据模型，将单一周期需存储的数据集合p头部添加帧头、帧计数，尾部添加帧尾，以辨别不同周期的存储数据；单个扇区的容量已知，在设计数据存储模型时，满足如下关系：
ls％lp≥5 (1)
式(1)中，lp为单一周期需存储的数据集合p的数据长度；ls为单个扇区容量，式(1)确保整数个数据集合p分布在Flash同一扇区后，至少剩余5字节的地址空间，其中5字节的地址空间用于后续存储校验和及索引值，大于5字节又不足lp的剩余部分可以作为预留区；
存储数据校验模块，用于将需要存储的数据集合p缓存在内存空间r内，r内缓存数据满足ls/lp整数个后，采用crc校验方式获得缓存数据crc校验和；其中，内存空间r满足如下条件：lr≥ls，lr为内存缓存的长度；
数据存储运行模块，用于在运行数据存储时，读取Flash存储器全部k个扇区的索引，查询索引中的最大值；①如果获得的扇区索引值除0xffffff外无其他值，则取Flash存储器的第一个扇区作为起始存储扇区；②如果获得的扇区索引值除0xffffff外存在其他有效值，则获取有效值中的最大值；如果获得的扇区索引值无0xffffff，则正常获取索引的最大值；获取索引最大值后对k求模即得到上次运行存储使用的最后一个Flash扇区编号，本次运行即使用该扇区编号后的一个扇区作为起始存储扇区；将内存空间r内缓存数据写入该扇区，将crc校验和存储在Flash扇区剩余地址空间内；
存储数据索引模块，用于在运行数据存储时，将最大索引值增加1后存储在当前Flash扇区剩余地址空间内。
根据本发明的第三方面，提供了一种FLASH寿命优化的数据存储设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实施第一方面所述的FLASH寿命优化的数据存储方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实施第一方面所述的FLASH寿命优化的数据存储方法。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种FLASH寿命优化的数据存储方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，设计存储数据模型，将单一周期需存储的数据集合p头部添加帧头、帧计数，尾部添加帧尾，以辨别不同周期的存储数据；单个扇区的容量已知，在设计数据存储模型时，满足如下关系：
ls ％ lp≥5 (1)
式(1)中，lp为单一周期需存储的数据集合p的数据长度；ls为单个扇区容量，式(1)确保整数个数据集合p分布在Flash同一扇区后，至少剩余5字节的地址空间，其中5字节的地址空间用于后续存储校验和及索引值，大于5字节又不足lp的剩余部分作为预留区；
步骤(2)，将需要存储的数据集合p缓存在内存空间r内，r内缓存数据满足ls/lp整数个后，采用crc校验方式获得缓存数据crc校验和；其中，内存空间r满足如下条件：lr≥ls，lr为内存缓存的长度；
步骤(3)，运行数据存储时，读取Flash存储器全部k个扇区的索引，查询索引中的最大值；获取索引最大值后对k求模即得到上次运行存储使用的最后一个Flash扇区编号，本次运行即使用该扇区编号后的一个扇区作为起始存储扇区；将内存空间r内缓存数据写入该扇区，将crc校验和存储在Flash扇区剩余地址空间内，同时索引增加1后存储在该Flash扇区剩余地址空间；
步骤(4)，重复步骤(2)和(3)，依次将数据存入Flash扇区。
2.根据权利要求1所述的FLASH寿命优化的数据存储方法，其特征在于，步骤(3)中，扇区剩余地址空间中预留区、校验和、数据索引的设置区间或存储位置可调。
3.根据权利要求1所述的FLASH寿命优化的数据存储方法，其特征在于，步骤(3)中，所述查询索引中的最大值以确定起始存储扇区步骤中：
①如果获得的扇区索引值除0xffffff外无其他值，则取Flash存储器的第一个扇区作为起始存储扇区；
②如果获得的扇区索引值除0xffffff外存在其他有效值，则获取有效值中的最大值；如果获得的扇区索引值无0xffffff，则正常获取索引的最大值；获取索引最大值后对k求模即得到上次运行存储使用的最后一个Flash扇区编号，本次运行即使用该扇区编号后的一个扇区作为起始存储扇区。
4.一种FLASH寿命优化的数据存储装置，其特征在于，包括存储数据模型设计模块、存储数据校验模块、数据存储运行模块和存储数据索引模块：
存储数据模型设计模块：用于设计存储数据模型，将单一周期需存储的数据集合p头部添加帧头、帧计数，尾部添加帧尾，以辨别不同周期的存储数据；单个扇区的容量已知，在设计数据存储模型时，满足如下关系：
ls ％ lp≥5 (1)
式(1)中，lp为单一周期需存储的数据集合p的数据长度；ls为单个扇区容量，式(1)确保整数个数据集合p分布在Flash同一扇区后，至少剩余5字节的地址空间，其中5字节的地址空间用于后续存储校验和及索引值，大于5字节又不足lp的剩余部分作为预留区；
存储数据校验模块，用于将需要存储的数据集合p缓存在内存空间r内，r内缓存数据满足ls/lp整数个后，采用crc校验方式获得缓存数据crc校验和；其中，内存空间r满足如下条件：lr≥ls，lr为内存缓存的长度；
数据存储运行模块，用于在运行数据存储时，读取Flash存储器全部k个扇区的索引，查询索引中的最大值；获取索引最大值后对k求模即得到上次运行存储使用的最后一个Flash扇区编号，本次运行即使用该扇区编号后的一个扇区作为起始存储扇区；将内存空间r内缓存数据写入该扇区，将crc校验和存储在Flash扇区剩余地址空间内；
存储数据索引模块，用于在运行数据存储时，将最大索引值增加1后存储在当前Flash扇区剩余地址空间内。
5.根据权利要求4所述的FLASH寿命优化的数据存储装置，其特征在于，所述数据存储运行模块，在查询索引中的最大值以确定起始存储扇区时，如果获得的扇区索引值除0xffffff外无其他值，则取Flash存储器的第一个扇区作为起始存储扇区；
如果获得的扇区索引值除0xffffff外存在其他有效值，则获取有效值中的最大值；如果获得的扇区索引值无0xffffff，则正常获取索引的最大值；获取索引最大值后对k求模即得到上次运行存储使用的最后一个Flash扇区编号，本次运行即使用该扇区编号后的一个扇区作为起始存储扇区。
6.一种FLASH寿命优化的数据存储设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实施权利要求1至3之一所述的FLASH寿命优化的数据存储方法。
7.一种可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实施权利要求1至3之一所述的FLASH寿命优化的数据存储方法。
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基于贪婪策略的NAND FLASH存储器的磨损均衡算法研究;贾鑫;张少平;;计算机科学(第S2期);第322-326页 *

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