痞子衡嵌入式：kFlashFile v1.0 - 一個基於Flash的掉電資料存取方案

痞子衡發表於2020-07-01

大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天給大家帶來的是痞子衡的個人小專案 - kFlashFile。

痞子衡最近在參與一個基於 i.MXRT1170 的專案，專案有個需求，需要在 Flash 裡實時儲存一些關鍵資料（初步設 512 bytes），掉電能恢復。這些資料在訪問方式上要友好，最好是很簡單的 API 介面，上層無需操心關鍵這些資料在 Flash 裡是如何儲存以及具體儲存在什麼位置，只需在意關鍵資料儲存和讀取的操作即可（就像在 RAM 裡動態存取那樣）。

根據上述需求，痞子衡做了一個參考設計，命名為 kFlashFile，當前是 v1.0 版本。痞子衡寫了比較詳細的設計文件，特地分享給大家，如果大家有更好的建議和想法，歡迎在文章下面留言。

專案地址：https://github.com/JayHeng/kFlashFile

kFlashFile

一、簡介

kFlashFile 是一個基於 NOR Flash 的輕量級檔案資料儲存方案，用於需要斷電資料儲存的專案。

kFlashFile 主要為 i.MXRT 系列設計，但其分層框架設計使其也可輕鬆移植到其他 MCU 平臺。

kFlashFile 從設計上分為三層：

  • 最底層是Driver層：即Low-level驅動，這層是MCU相關的，對於i.MXRT來說，就是FlexSPI模組的驅動。
  • 中間是Adapter層：主要用於適配底層Driver，不同MCU其Driver介面函式可能不同，因此會在這一層做到介面統一。
  • 最頂層是API層：純軟體邏輯設計來實現檔案資料儲存，提供了四個非常簡易的API。

二、設計

2.1 API定義

kFlashFile 是一個檔案資料儲存的設計，file_read()、file_save()是兩個必備的 API，此外也提供業界通用 API 介面file_init()、file_deinit()。

  • kflash_file_init(): 用於初次分配Flash空間來儲存檔案資料，並且指定檔案長度。如果當前指定的Flash空間裡存在有效檔案資料，那麼繼續複用。
  • kflash_file_read(): 用於獲取當前有效儲存的檔案資料，檔案資料可以部分讀取。
  • kflash_file_save(): 用於實時寫入最新的檔案資料，檔案資料可以部分更新。
  • kflash_file_deinit(): 用於清除當前分配的Flash空間裡的檔案資料，以便下次重新分配。
status_t kflash_file_init(kflash_file_t *flashFile, uint32_t memStart, uint32_t memSize, uint32_t fileSize);
status_t kflash_file_read(kflash_file_t *flashFile, uint32_t offset, uint8_t *data, uint32_t size);
status_t kflash_file_save(kflash_file_t *flashFile, uint32_t offset, uint8_t *data, uint32_t size);
status_t kflash_file_deinit(kflash_file_t *flashFile);

2.2 空間分配

kFlashFile 將分配的 Flash 空間分成兩個部分，前面是檔案資料區（Data Sectors），後面是檔案頭區（Header Sectors）。

檔案資料區：從區內起始地址開始按序存放一份份檔案資料，只要檔案資料出現無法覆蓋的更新（即 Flash 無法改寫的特性），便會在下一個新地址重新儲存。如果資料區滿了，便擦除區內起始地址處的歷史檔案資料，繼續迴圈儲存。

檔案頭區：區內 Sector 起始地址放一個 Magic 值（4位元組），用於標識檔案頭。然後開始按序記錄一份份檔案資料在檔案資料區裡的位置資訊（預設用 2byte 去記錄一份檔案資料的位置）。如果當前 Header Sector 儲存滿了，便換到下一個 Header Sector 繼續記錄。

2.3 API主引數

kFlashFile 設計上使用 kflash_file_t 型作為 API 主引數，這個引數原型定義如下：

typedef struct {
    uint32_t managedStart;
    uint32_t managedSize;
    uint32_t activedStart;
    uint32_t activedSize;
    uint32_t recordedIdx;
    uint32_t recordedPos;
    uint8_t buffer[KFLASH_MAX_FILE_SIZE];
} kflash_file_t;
  • managedStart： 表示檔案儲存區對映首地址，即 kflash_file_init() 呼叫時的 memStart 值加上 Flash 在記憶體裡對映首地址，managedStart 需要以 Flash Sector 大小對齊。
  • managedSize： 表示檔案儲存區總大小，即 kflash_file_init() 呼叫時的 memSize 值，需要是 Flash Sector 大小的整數倍。
  • activedStart： 表示當前有效檔案資料儲存的對映首地址，需要以 Flash Page 大小對齊。
  • activedSize： 表示當前有效檔案資料長度，需要是 Flash Page 大小的整數倍。
  • recordedIdx： 表示當前有效檔案頭所在的 Header Sector 索引。
  • recordedPos： 表示 Header Sector 中用於儲存當前有效檔案資料位置資訊的區域偏移。
  • buffer[]： 當前有效的檔案資料暫存區。

三、實現

3.1 Driver層

在 i.MXRT 系列上，kFlashFile 的 Driver 層即 FlexSPI NOR 驅動，這個驅動既可以採用 MCU SDK 版本，也可以採用 BootROM 版本。

此處推薦 BootROM 版本的 FlexSPI NOR 驅動，因為這個驅動歷經多個 MCU ROM 的洗禮，已經相當成熟穩定。這裡簡單講下其中 Flash 操作的函式：

  • flexspi_nor_flash_erase(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config, uint32_t start, uint32_t length)：這個函式實現Flash擦除，雖然形參裡是任意設定的start, address，但實際擦除還是以Sector對齊的，函式內部會對start和address做自動對齊。
  • flexspi_nor_flash_page_program(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config, uint32_t dstAddr, const uint32_t *src)：這個函式實現Flash程式設計，一次固定寫一整個Page大小的資料，即使dstAddr不是以Page對齊，實際寫入的Page資料也不會跨物理Page（會自動跳回同一個物理Page首地址，這是Flash自身特性）。

因為 flexspi_nor_flash_page_program() 每次都要固定程式設計整個 Page 資料，不夠靈活，因此我新寫了一個 flexspi_nor_flash_program() 函式，這個函式支援程式設計使用者自定義長度的資料，並且支援跨物理 Page 去寫：

  • flexspi_nor_flash_program(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config, uint32_t dstAddr, const uint32_t *src, uint32_t length)：

需要特別注意，對於 SDR 模式的 Flash，最小程式設計長度可以是 1Byte；而 DDR 模式的 Flash，最小程式設計長度應是 2Bytes（如果這 2Bytes 地址上有一個 Byte 內容是 0xFF，該 Byte 依舊可以被再次程式設計）。

此外 flexspi_nor_flash_program() 函式有一個限制，即傳入的 src 源資料首地址必須 4 位元組對齊，哪怕你只想寫入 2 個位元組，這是 FlexSPI 模組底層對驅動的要求。

3.2 Adapter層

kFlashFile 的 Adapter 層是對 Driver 層做了一層封裝，用於遮蔽硬體相關特性。該層與 MCU 以及板載 Flash 型號息息相關。下面的巨集定義適用 i.MXRT1170 晶片以及連線在 FlexSPI1 上的 Octal Flash（MX25UM51345）：

// 表示 Flash 連線的是 FlexSPI1
#define KFLASH_INSTANCE          (1)
// BootROM FlexSPI 驅動對 Octal Flash 支援的簡易配置值
#define KFLASH_CONFIG_OPTION     (0xc0403007)

// FlexSPI1 在系統記憶體中的對映首地址
#define KFLASH_BASE_ADDRESS      (0x30000000)
// 預設的 Flash Sector/Page 大小（如果 Flash 裡有 SFDP，則此處定義無效）
#define KFLASH_SECTOR_SIZE       (0x1000)
#define KFLASH_PAGE_SIZE         (256)

// FlexSPI 程式設計介面對傳入的 src 源資料首地址必須 4 位元組對齊
#define KFLASH_PROGRAM_ALIGNMENT (4)
// Flash SDR 模式為 1，DDR 模式為 2
#define KFLASH_PROGRAM_UNIT      (2)

kFlashFile 的 Adapter 層介面函式如下，引數是硬體無關的，因此上層可以輕鬆基於這些介面函式做純軟體邏輯設計。

status_t kflash_drv_init(void);
uint32_t kflash_drv_get_info(kflash_mem_info_t flashInfo);
status_t kflash_drv_erase_region(uint32_t start, uint32_t length);
status_t kflash_drv_program_region(uint32_t dstAddr, const uint32_t *src, uint32_t length);

3.3 API層

kFlashFile 的 API 功能設計思路前面介紹過了，這裡介紹具體程式碼實現，先來看幾個關鍵的巨集定義：

// 設定 Header Sector 的個數，至少是 2 個
#define KFLASH_HDR_SECTORS     (2)
// 設定 Header Sector 中用於儲存當前有效檔案資料位置資訊的區域儲存型別
// uint16_t 最多可記錄 65536 個位置，最大可支援的 Data 區域大小為 65536 * 檔案資料長度
#define KFLASH_HDR_POS_TYPE    uint16_t   /* uint16_t or uint32_t */
// 設定總分配的 Flash 長度（Data+Header Sector 的個數），至少是 4 個
#define KFLASH_MIN_SECTORS     (KFLASH_HDR_SECTORS + 2)
// 設定最大支援的檔案資料長度，需是 Flash Page 的整數倍
#define KFLASH_MAX_FILE_SIZE   (KFLASH_PAGE_SIZE * 2)

3.3.1 init()

kflash_file_init() 函式處理流程如下：

如果是首次指定 Flash 空間，那麼直接將全部空間擦除乾淨，並在第一個 Header Sector 中寫入初始檔案頭（Magic + 檔案資料位置值 0），即最新有效檔案資料在 Flash 空間檔案資料區的首地址。

這裡有一個特殊的設計，檔案資料區其實並不是直接儲存使用者寫入的檔案資料，而是將使用者檔案資料全部按位取反之後再儲存進 Flash。這裡假定使用者資料初始應該是全 0，然後更改主要是將 0 值改為其他值，取反之後，正好對應 Flash 裡的 bit1 程式設計為 bit0（Flash 擦除後是全 0xFF），這樣可以充分利用 Flash 覆蓋操作以減少擦除次數。

函式中比較關鍵的步驟是找尋當前 Flash 空間中是否存在有效檔案資料，方法是遍歷 Header Sector，發現存在 Magic 便繼續尋找最新檔案資料位置資訊存放的區域（預設 2 位元組），按照前面的設計，只需要按序讀取區域內容，直到遇到 0xFFFF 為止。

3.3.2 read()

kflash_file_read() 函式最簡單了，直接從快取區 buffer 裡獲取資料即可，因為每次更新檔案資料操作完成之後都會將最新檔案資料放在 buffer 裡。

3.3.3 save()

kflash_file_save() 函式是最核心的函式了，這裡邏輯比較複雜，涉及檔案資料區全部滿了之後的動作，以及檔案頭區某個 Sector 滿了的動作。其處理流程如下：

當有一個新檔案資料要求儲存時，首先會判斷這個檔案能不能在 Flash 中直接覆蓋儲存，如果能，那就直接覆蓋儲存，檔案頭完全不需要更新，這種情況比較簡單。

如果新檔案資料無法直接覆蓋儲存，那麼首先判斷檔案資料區是否滿了，如果上一個檔案資料已經存在了檔案資料區的最後位置，此時需要擦除資料區第一個 Sector 從頭開始儲存。如果沒有到最後位置，那就按序往下儲存。

新檔案資料已經儲存到資料區之後，此時需要處理檔案頭，記錄這個新檔案資料的位置。如果檔案頭區已經記錄到當前 Sector 的最後位置，需要切換到下一個 Sector 開始儲存，切換儲存完新位置後，將之前 Sector 擦除。如果沒有，那就按序在當前 Sector 繼續記錄。

3.3.4 deinit()

kflash_file_deinit() 函式也比較簡單，就是將檔案頭區域 Header Sectors 全部擦除即可，檔案資料區內容可以不用管，下次重新分配 Flash 時會做擦除。

歡迎訂閱

文章會同時釋出到我的 部落格園主頁、CSDN主頁、微信公眾號 平臺上。

微信搜尋"痞子衡嵌入式"或者掃描下面二維碼，就可以在手機上第一時間看了哦。

相關文章