FLASH日志文件系统设计

旧城等待， 2023-06-03 05:52 168阅读 0赞

写在前面

大家都知道，目前主要流利的日志文件系统有JFFS,YAFFS等，这些都是目前在Linux中应用较多的日志文件系统。前期在做嵌入式方面的开发工作时，发现原来同事使用FLASH存储数据时使用了非常多的全局变量来保存FLASH的状态，同时在数据写入、读取和删除代码中又引用了大量的代码，感觉很乱。当时想，难道在ARM7上就没有一个好用的FLASH文件系统吧，当时也有人研究FAT32，但基本上是应用于SD卡的。其实操作FLASH并写入想要写的数据，并不难，所以这方面的封装库不多见，也属正常。再者，由于转入到编写嵌入式代码工作时间也不长，因此对于此行业的状态也了解不多。作为监控领域的嵌入式行业，最重要的两点就是数据采集和数据历史存储。数据采集与监控的目标对象有关，数据历史存储，目前在低端的ARM7或者Cortex-M3系统的架构上，基本上使用外部FLASH来做存储。随着目前芯片集成技术的推进，目前在一片CPU上也有好几十上百K的FLASH空间，这样一来，实现廉价的监控方案就方便了。然后，在软件行业，面向对象、封装已经风行多年，由于单片系统资源有限，在此领域内封装的库不多，但随着芯片制造技术的飞跃，32位单片机已经非常常见，而且便宜。因此在单片机系统上，进行封装开发也会越来越多。像目前Cortex-M3提供的外围设备库已经属于标配，因此在单片系统开发已经不是懂硬件人的专利了。当我看到外围设备库，看到原来混乱的数据处理代码，我决定对这些代码进行良好封装，以提高自己的开发效率。

FLASH日志文件系统在应用中需要解决的问题主要有两个：

1、FLASH平均擦写能力

2、FLASH在掉电或者异常时恢复问题

由于在单片系统（裸奔）中，大部分使用的都是NOR FLASH，此类FLASH可靠性高，因此NAND FLASH的坏块问题不多见，只要处理好基本的异常情况，基本上可敷使用。

然后，在使用FLASH存储数据时，需要解析的问题也有两个：

1、操作接口方便、抽象，无需考虑过多细节

2、异常时，不需要过多操心

基于自己对封装的理解，设计出了自己的FLASH日志文件系统，该系统功能有限，但对于单片系统而言，对数据的写入、读取和删除都可以很好的支持，最关键的就是支持裸奔、代码简洁（5K左右）。

设计 思路：

FLASH一般按扇区组织，最小的擦除单位也是扇区，因此此文件系统按扇区建立最小的操作单位。按一般文件系统设计理念，针对每扇区记录分区表，以索引记录。

![20130823135536109][]

本文件系统将所有日志记录形成一个链表记录，即指定头和尾，即可找到记录位置，删除只能头删除，添加只在尾添加，如此可保证日志文件系统的有序性（是监控系统必须保证的）。如果将各扇区有组织的统一管理起来，需要在扇区中包含一部分索引信息，以方便初始化和操作。为保证数据的正确性，数据写入时，要求写入校验和。同时为支持不定长记录，数据写入时还包括数据的写入长度。

各扇区形成链表，需要在各扇区中保存链信息，由于数据的写入和读出，会导致链表信息更新，因此需要合理利用扇区的物理特性来记录各扇区的状态。

定义的扇区状态要如下：

![SouthEast][]![SouthEast 1][]

扇区分区由扇区头，扇区数据标识区和数据区三部分组成，前二部分构成扇区分区信息。

扇区区定义了扇区的必要信息，结构如下：

typedef struct _sector_lfs
    {
    	unsigned char flag; //标志字节：未初始化为:0xFFFF
    	unsigned char type;
    	unsigned short id;
    	unsigned short logsize;
    	unsigned short mapbytes;
    }sector_lfs_t, *psector_lfs;

此结构为FLASH中结构标识，此结构为外部FLASH的标识，通过SPI总线的NOR FLASH具有写0有效的编程特性，因此利用此特性，可以将扇区的标志状态使用一字节表示。

type表示此文件的唯一标识，如果与文件描述的不相同时会重新初始化引扇区。

id暂时未使用

logsize表示此日志的最大记录大小

mapbytes为本扇区数据标识区占用的大小，此结构之后为数据标识区，数据标识区按扇区最大可容量量计算

![SouthEast 2][]

扇区数据标识区为位图表示方式，同时利用FLASH的物理特性，利用两个位表示一条记录的状态(写入，删除)。

日志文件表示结构：

// 扇区字节数  0x10000
    #define SECTOR_SIZE 0x10000
    // 扇区个数(支持最大扇区数65535)
    #define SECTOR_CNT 	128
    
    typedef struct _lfs
    {
    	unsigned int    start;   // 开始扇区号 , 范围范围为[start, end)
    	unsigned int    end;     // 结束的扇区号
    	unsigned char   type;    // 该文件系统的类型标识
    	unsigned short  logsize; // 记录的日志最大大小
    	         int    head;	   // 用于内部表示开始的头(写的位置),初始化时需start
    			 int    tail;    // 用于内部表示开始的尾(读的位置)
    	unsigned int    count;   // 可用日志记录条数
    	unsigned int    rd_id;   // 当前读的头位置(扇区的ID位置)
    }lfs_t;

通过指定扇区开始和结束号，就相当于指定了此文件可使用的扇区数量及位置，通过此结构可以在内存中表示一个文件，并实时反映了此文件的物理状态。

文件系统的加载

文件系统的加载过程是必须的步骤，在系统准备使用此日志文件前，必须进行文件加载。

通过指定lfs\_t结构的start,end, type, logsize四个参数后，使用lfs\_load即可加载此文件。加载文件的过程会扫描指定的扇区，并试图扫描扇区链表的前、尾，和记录数量。对于不属于此文件或者与扇区保留信息不相同的扇区时，将重新初始化此扇区。

文件系统的操作

文件系统的操作在文件系统加载之后，可以对记录进行读、写和删除。读可以从有效记录的任意位置进行读，写将在尾部写入。删除只能在链表头删除。

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[SouthEast 2]: /images/20230601/e4b48eb518934078802263459ebd5dc5.png