[摘 要]： VxWorks操作系統(tǒng)提供文件系統(tǒng)來訪問和管理Flash 存儲器，這種方式不能滿足實時寫入和系統(tǒng)可控的要求。本文提出一種通過接管系統(tǒng)時鐘中斷來控制Flash Memory讀寫操作和基于管理區(qū)的簡單可控文件管理方案，實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)在不影響業(yè)務模塊運行的前提下，滿足對實時性和可控性要求。
[關鍵詞]：閃存；系統(tǒng)時鐘；中斷；文件系統(tǒng)；

1． 引言
    cdma2000 1x移動通信系統(tǒng)的基站主處理機采用WindRiver公司VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)，選用FLASH 存儲器(以下簡稱FLASH)作為外部存儲設備保存系統(tǒng)參數(shù)和業(yè)務數(shù)據(jù)。

    FLASH與普通磁介質存儲器最大的差異在于寫操作方式不同，其寫操作相對于普通磁盤是比較慢的過程，消耗掉大量的CPU資源。FLASH基于命令字的寫操作方式導致的寫入錯誤，雖然幾率很小但實際上是存在的。而商用VxWorks操作系統(tǒng)提供的dosFs文件系統(tǒng)和專用TrueFFS文件系統(tǒng)對該情況處理不足，并且用戶沒有相應的源碼，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)寫操作錯誤，將不可控制，降低了系統(tǒng)的可控性。所以，有必要對FLASH的存取操作加以改進或控制，并設計一套相對應的專用FLASH文件管理方案，滿足系統(tǒng)可控性的要求。

2． 存取設計
    FLASH寫操作基于命令字方式完成，分為擦除(erase)和編程(program)兩個階段。由于FLASH的編程指令只能使“1”改為“0”，擦除指令只能使“0”改為“1”，而且，擦除操作不能在字節(jié)或任意數(shù)據(jù)區(qū)域進行，而必須是一個完整的扇區(qū)，所以向FLASH某位置寫入數(shù)據(jù)時，要先擦除目標位置所在扇區(qū)的所有數(shù)據(jù)，然后才能進行編程操作。實際上，只須向特定的寄存器寫入標準的指令序列，具體的擦除和編程過程就可由內部嵌入的算法執(zhí)行。
                                                                              
2．1 設計思想
    通常，F(xiàn)LASH寫操作指令下達后，由驅動程序完成命令字的設置。此時，數(shù)據(jù)被臨時存儲于FLASH的鎖存器中，但系統(tǒng)仍需要保持數(shù)據(jù)總線直到寫入操作終止或完成才釋放。一個扇區(qū)的擦除是十幾毫秒的時間，一個字節(jié)的寫入是幾微秒的時間，可以看到，數(shù)據(jù)總線的占用過程消耗了大量的CPU時間。這部分資源的節(jié)約對于嵌入式實時系統(tǒng)來說是必要的。操作系統(tǒng)完全可以在設置寫操作命令字后釋放數(shù)據(jù)總線，退出FLASH操作，把擦除/編程過程的CPU時間用來執(zhí)行其他指令，等當前命令字執(zhí)行完畢后，通過某個事件的觸發(fā)，使CPU跳轉回來設置下一個命令字。這就是改進FLASH操作過程的設計思想。

2．2 實現(xiàn)過程
    觸發(fā)事件選擇和跳轉周期長短的控制是問題解決的關鍵，即在一個命令字操作完成后，選用什么方式來觸發(fā)下一個命令字操作。可以考慮的方式主要有掃描方式和中斷方式。

    通過掃描方式，當應用程序完成一次完整的處理周期時，掃描某個標志狀態(tài)，判斷FLASH寫入操作是否進行完成。如果完成，則再次設置命令字進行操作。由于程序處理周期取決于應用層業(yè)務處理時間，這種方式會導致觸發(fā)周期不固定。

    采用中斷方式，可以通過設置中斷頻率來控制觸發(fā)周期。但必須選擇合適的中斷源，使其精度達到要求并且對系統(tǒng)沒有額外的影響。由于基站系統(tǒng)采用外部GPS時鐘，系統(tǒng)的單板時鐘閑置，其精度對于FLASH操作是足夠的，所以可以考慮選擇CPU時鐘中斷。問題在于VxWorks對該中斷是否有使用。實際上，VxWorks通過該時鐘中斷完成系統(tǒng)記數(shù)器，從而在其基礎上實現(xiàn)系統(tǒng)定時器，看門狗定時器，任務分時調度等功能組件。因此，接管時鐘中斷，必須在修改時鐘頻率同時，保證操作系統(tǒng)所需的系統(tǒng)記數(shù)器頻率不變。
 
    VxWorks提供sysClkConnect()函數(shù)允許時鐘中斷發(fā)生時，根據(jù)指定參數(shù)掛接用戶定義的中斷處理程序，中斷處理完成后由用戶程序返回。VxWorks提供的usrClock()函數(shù)是系統(tǒng)缺省時鐘中斷處理函數(shù)，用來調用計數(shù)器函數(shù)tickAnnounce()，實現(xiàn)系統(tǒng)計數(shù)器的作用。時鐘中斷頻率由SYS_CLK_RATE設定，缺省值是60。因此，我們在替換時鐘中斷處理函數(shù)時，需要包含操作系統(tǒng)的記數(shù)器函數(shù)tickAnnounce()，并通過分頻的方法保證tickAnnounce()的調用和時鐘頻率修改前的調用頻率是一致的，從而使操作系統(tǒng)計數(shù)器感覺不到時鐘頻率修改和中斷處理函數(shù)被替換的區(qū)別。

    當然，系統(tǒng)時鐘頻率的設置不能太高，通常時鐘頻率設置為60HZ(或100HZ)，當頻率超過600HZ時，會使內核調度用時比率偏高，而實際任務可用的CPU時間下降，處理器將花費大多數(shù)時間來處理時鐘而使系統(tǒng)運行效率下降或不可用。

    圖1給出了具體的實現(xiàn)流程圖。sysClkChange()是自定義的系統(tǒng)時鐘頻率調整控制函數(shù)，該函數(shù)根據(jù)入口參數(shù)設置系統(tǒng)時鐘中斷頻率，選擇掛接中斷的處理函數(shù)flsClock()或usrClock()。自定義的中斷處理函數(shù)的flsClock()通過調用usrClock()函數(shù)完成系統(tǒng)計數(shù)器功能。sysClkRateGet()和sysClkRateSet()函數(shù)是VxWorks提供的時鐘頻率設置函數(shù)。

    flsClock()還需要負責實際的寫入操作。首先檢查上一次中斷處理中的FLASH操作是否已經(jīng)完成。如果沒有完成，則返回，并記錄返回次數(shù)，若返回次數(shù)超過了一定限度，即認為該片F(xiàn)LASH發(fā)生故障，向應用層發(fā)出FLASH故障告警；如果已經(jīng)完成，則開始進行本次操作，即先確定操作的類型(擦除還是編程)和相關參數(shù)(包括目標扇區(qū)序號，目的地址，數(shù)據(jù)源地址等等)，然后調用驅動程序提供的FLASH操作接口，完成命令字設置等操作。

3． 管理設計
    在I/O系統(tǒng)基本結構中，應用程序可以通過符合標準I/O接口的文件系統(tǒng)調用設備驅動程序來操作設備，也可以直接與驅動程序連接來操作設備(VxWorks本身并不支持這種做法)。通常，采用文件系統(tǒng)來操作存取設備的方式，減少了驅動程序必須支持的I/O操作接口函數(shù)的數(shù)目，在VxWorks開發(fā)中得到廣泛的應用。

    VxWorks提供與MS-DOS兼容的dosFs文件系統(tǒng)供I/O接口調用，但dosFs文件系統(tǒng)本質上容易受到某種類型磁盤故障的影響，導致更新過程中數(shù)據(jù)結構不一致性，而且，dosFs文件系統(tǒng)是一個不考慮容錯性能的文件系統(tǒng)，沒有考慮FLASH操作的特殊性，對于底層驅動程序中FLASH命令字方式導致的寫入錯誤無法處理。作為VxWorks的可選組件，M-System公司為VxWorks定制的TrueFFS組件提供了面向FLASH的專用文件系統(tǒng)。

    TrueFFS文件系統(tǒng)使用block-to-flash轉換系統(tǒng)將閃存抽象為普通塊設備?；趧討B(tài)維護的映射圖使FLASH索引成一系列連續(xù)塊。進行數(shù)據(jù)寫入時，如果目標塊已寫有數(shù)據(jù)，TrueFFS另找空閑區(qū)寫入，待數(shù)據(jù)安全寫入后，TrueFFS更新映射圖，將該塊指向寫入的新FLASH地址。TrueFFS文件系統(tǒng)機制非常完善，但基站系統(tǒng)對FLASH功能要求比較單一，存儲的數(shù)據(jù)文件類型和存儲方式相對單一，TrueFFS文件系統(tǒng)并不能發(fā)揮其強大功能，反而降低了系統(tǒng)的性能。

3．1 設計思想
    參考dosFs文件系統(tǒng)和TrueFFS文件系統(tǒng)的管理方法，選取其中重要功能重新設計，實現(xiàn)一個應用層可控的FLASH管理方案。把FLASH劃分為管理區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)兩部分進行組織管理。其中管理區(qū)存放文件管理信息，數(shù)據(jù)區(qū)存放數(shù)據(jù)文件。為了防止在修改管理區(qū)的過程中掉電，在存儲區(qū)的兩端設置雙備份的管理區(qū)。

    我們將FLASH最小管理單位定義為一個FLASH扇區(qū)（塊）。進行FLASH操作之前，先將目標扇區(qū)內容備份到內存，在內存中修改完畢后再固化到FLASH。管理區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)占用的空間是扇區(qū)的整數(shù)倍，這樣才不會在更新某些數(shù)據(jù)的同時，造成對已有數(shù)據(jù)的修改。對于比較小的文件，可能小于一個扇區(qū)的空間，導致FLASH空間的浪費，但避免了因為共享同一扇區(qū)造成不同文件操作之間的相互影響，降低數(shù)據(jù)被破壞的可能性，簡化管理策略。

3．2 實現(xiàn)過程
    根據(jù)文件管理方案，假定用戶可修改的FLASH塊數(shù)為512，其中前后兩個管理區(qū)占用64塊，數(shù)據(jù)區(qū)可用448塊。FLASH管理區(qū)需要包含的內容如表1所示。

    任何時刻，處于活動狀態(tài)的管理區(qū)只有一個。在更新數(shù)據(jù)的時候，首先更新處于活動狀態(tài)的管理區(qū)，然后寫入數(shù)據(jù)文件，等待寫入穩(wěn)定后，更新另一個管理區(qū)，然后將另一個管理區(qū)置為當前活動狀態(tài)，原先管理區(qū)置為非活動狀態(tài)。這樣可以保證在數(shù)據(jù)文件寫入失敗時，通過兩個管理區(qū)管理信息的一致性來識別數(shù)據(jù)的有效性。
      

    FLASH塊列表的每個字節(jié)對應一個扇區(qū)的占用情況，1表示該扇區(qū)已分配，0表示該扇區(qū)未分配，0xff表示該扇區(qū)壞死，不能使用。

    文件信息記錄位置按照系統(tǒng)配置好的處理機數(shù)目采用固定順序存放。更新任何一個數(shù)據(jù)文件之前，要更新該文件的信息記錄，確定該文件操作狀態(tài)，版本信息和存放位置。具體的組織結構如表2所示。

    系統(tǒng)需要從FLASH讀取數(shù)據(jù)時，首先比較兩個FLASH管理區(qū)管理信息是否一致。如果一致，認為數(shù)據(jù)有效，直接讀取；如果不一致，則說明存在FLASH操作異常，向系統(tǒng)操作維護控制臺(OMC)告警，并通知應用程序請求向OMC下載寫入新的數(shù)據(jù)文件。

    當需要刪除FLASH上數(shù)據(jù)文件時，只需將管理區(qū)中該文件操作狀態(tài)置成“無效”，并將其占用的扇區(qū)置成“未分配”狀態(tài)，然后更新FLASH管理區(qū)信息即可。

    這里沒有給出碎片收集和垃圾數(shù)據(jù)處理的機制，實際上，刪除操作所實現(xiàn)的功能即有回收垃圾數(shù)據(jù)所在扇區(qū)的作用，并且由應用層控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)可控性。對于FLASH中存在的碎片，由于我們采取的是以扇區(qū)為單元進行數(shù)據(jù)管理的，數(shù)據(jù)文件的存儲空間是整數(shù)塊，而且塊列表可以不連續(xù)，所以不存在碎片的問題，從而就巧妙的避免了碎片收集的復雜性。

4． 總結
    本文介紹的FLASH操作方法以及與之配套的文件管理方案，為系統(tǒng)運行節(jié)省了可觀的時間，可以很好的解決了業(yè)務運行與數(shù)據(jù)備份之間對系統(tǒng)資源占用的矛盾，對于FLASH操作相對頻繁和數(shù)據(jù)備份實時性要求較高的系統(tǒng)，都是適用的。

5． 參考文獻
[1] WindRiver Inc. VxWorks Programmer's Guide 5.4 Edition 1[EB/OL].1999
[2] WindRiver Inc. Tornado User's Guide 2.2 [EB/OL].2002
[3] 陳智育 溫彥軍等．VxWorks程序開發(fā)實踐[M].北京：人民郵電出版，2003-9-1.177-200.