Ⅰ。Flash存储器
Flash文件系统,顾名思义就是采用Flash作为外存储器实现的文件系统。因此,Flash文件系统地实现就必须考虑Flash存储器的特点。
Flash存储器由于具有存储容量大、掉电数据不丢失以及可多次擦写等许多优点,正逐步取代其它半导体存储器件而广泛应用于移动电话、PDA以及数码相机等移动电子产品中。其作为存储数据和应用程序的存储体,可以将大量数据方便、快捷地移动和交换。
Flash内部分为多个存储单元块（block）,每个存储单元块又由多个页（page）组成。存储单元块是可擦除的最小单位,页是写入数据的最小单位。
Flash存储器读取数据与一般的存储器类似,可以实现随机读取,读出的速度也很快。而Flash存储器的写操作则和一般的存储器有所不同,Flash的写操作必须先按存储块擦除（写入0xff到要擦除的存储单元块中）,再按页顺序写入。由于Flash存储器擦除耗时较长,所以Flash存储器写入的时间主要在于Flash存储器内部的擦除操作等。
Flash存储器第一块一定是有效块,而其它块可能会在使用前就是坏块或者在使用过程中变成坏块（invalid block）。Flash存储器对内部坏块的判定是,根据其每一个单元存储块中的第3区中的第6 Cloumn内容是否为0xff来定。虽然Flash存储器内容会有坏块,但是由于每一块的内部结构都是相互独立的,所以只要对其状态加以识别,坏块并不影响系统对有效块的操作。
Ⅱ.Flash文件系统
有了Flash存储器,相应的应该有对应的系统来管理,于是有了Flash文件系统的出现。和常规的文件系统类似,我认为Flash文件系统地提出,至少需要实现以下几个特点：
1. 统一管理Flash存储器存储空间,实施存储空间的分配与回收
2. 实现文件的按名存取,使用方便,直观
3. 向用户提供一个方便使用的接口（提供对文件系统操作命令,以及提供对文件的操作命令
4. 优化存储速度和空间利用屏蔽物理因素的影响,如对于坏损单元,采用透明的坏损管理
u Flash文件系统具体如何设计
一般来说,整个文件系统应该分为两个层次：
最一层,直接和物理硬件接触,管理Flash物理存储器;
第二层,在基层之上,实现文件管理,如实现FAT。
u Flash文件系统设计中的注意事项
2.1第一层
（1）物理地址到逻辑地址的映射
为了在Flash物理地址和FAT操作的逻辑地址之间建立一个好的映射关系,须对Flash的存储空间在逻辑上进行了重新定义。结合Flash特点,将每个存储单元块内部分成若干物理扇区。具体实现时,每个物理扇区可以分为 基本的数据区 和 其它信息保留区（如安全性）。
确定好扇区的结构和大小之后,物理地址到逻辑地址的映射也就确定了。
（2）可靠性设计
一个完善的文件系统需要有良好的可靠性。 笼统的讲,可靠性的实现,需要存储器信息的支持,扇区的信息保留区就可以利用起来。
（3）坏块管理
由于Flash内部会有坏块,因此Flash存储管理系统需要对Flash进行坏块管理。一般坏块的管理分以下两种情况：
① 初始坏块处理。Flash存储器在使用前可能会有坏块,而且这些坏块是随机分布的。所以,Flash文件管理系统在系统执行读写操作之前先建立一个坏块表,然后对Flash存储器进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用,加入到坏块表中。
② 操作过程中坏块处理。在擦除或者编程过程中发生错误时,Flash文件管理系统将该块中其它页的数据重新拷贝到一个新的空块中,然后再将该块标记为坏块,加入到坏块表中。在这个处理过程中,由于对Flash的擦除或者编程操作都会使得Flash存储单元块的内容改变,所以Flash文件管理系统一旦发现Flash存储器的存储单元块成为坏块后便不再对该块进行擦除或编程操作,以免将坏块标志位数据清除掉,而是将该块标记为坏块,并将其加入坏块表中。
坏块单元对用户应用应该是完全透明的。
（4）均衡擦写次数
由于Flash有一定的使用寿命,一般可擦除的次数为10～100万次,所以随着使用次数的增加,会有一些单元逐渐变得不稳定或失败。因此,要尽量避免频繁地对同一块地址操作,以免造成局部单元提前损坏;同时,由于擦除操作耗时较多,也应减少擦除操作,应该尽量达到擦写次数均衡。为此,有必要设计Flash更新算法和磨损程度检测算法。
Flash更新算法可以是将Flash中要更新的数据直接写入一个空块中,降低由于Flash先擦除后写入的特性带来的对块的频繁擦除;同时,也提高了Flash的使用效率,加快了操作速度。
磨损程度检测算法是在对Flash进行写入前必须先对Flash进行坏块扫描,以确保不会将数据写入坏块从而此起数据的丢失。
2.2 FAT设计
在Flash文件管理系统的基础上,还建立了FAT文件系统来对文件操作进行管理。将FAT文件系统具体分为以下四部分：
（1）FAT的引导区
该引导区存放代码所需的信息及最重要的文件系统信息。这些信息包括了Flash存储器的类型、容量以及划分成多少个簇;每个簇包含多少扇区、FAT表数目、保留扇区数、根目录的首簇号及根目录入口数、版本信息等等。引导扇区是在格式化Flash时生成的。
（2）FAT的文件分配表
文件分配表存放文件所占用的存储空间族链以及Flash存储器的占用和空闲空间的情况,非常重要。
为了防止文件分配表损坏而引起文件的丢失,可以在系统中保存两个相同的文件分配表FAT1和FAT2,以改善其安全性。在文件系统的操作中,程序对FAT表结构的两个备份进行顺次修改,以此确保Flash存储器上总是存有一整套完好的文件分配表。
系统对FAT表的访问原理如下：访问文件时先从要目录中找到该文件的目录项,从中读出首簇号。然后,目录中找到该文件的目录项,从中读出首簇号。然后在FAT中找到从该首簇号开始的簇链,簇链上的簇号即为文件在逻辑扇区中占用的扇区号链,这样便可以进行数据读写了。
（3）FAT的根目录区
FAT的根目录区是固定大小的紧跟在FAT表后的区域。本文将从FAT区之后紧跟的32个扇区作为根目录区,可以保存512个目录项。每个目录项记录了该文件的文件名、文件属性、文件大小、文件创建的日期和时间以及文件在数据区中所占的首簇号,即该文件在FAT表中的入口等数据。
（4）FAT的数据区
数据区存在文件的数据内容。文件系统对数据区的存储空间是按簇进行划分和管理的。
【小结】
Flash文件系统应该来说和通常的文件系统没有太多的区别,文件的组织管理形式可以和磁盘文件差不多,关键在于Flash存储器的硬件特性。硬件的区别决定Flash文件系统有其自己需要考虑的东西。