kFlashFile - 一個基于Flash的掉電數(shù)據(jù)存取方案

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術的痞子。今天給大家?guī)淼氖瞧ψ雍獾膫€人小項目 - kFlashFile。

痞子衡最近在參與一個基于 i.MXRT1170 的項目，項目有個需求，需要在 Flash 里實時保存一些關鍵數(shù)據(jù)（初步設 512 bytes），掉電能恢復。這些數(shù)據(jù)在訪問方式上要友好，最好是很簡單的 API 接口，上層無需操心這些關鍵數(shù)據(jù)在 Flash 里是如何存儲以及具體存儲在什么位置，只需在意關鍵數(shù)據(jù)保存和讀取的操作即可（就像在 RAM 里動態(tài)存取那樣）。

根據(jù)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檔，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。

項目地址：https://github.com/JayHeng/kFlashFile

kFlashFile

一、簡介

kFlashFile 是一個基于 NOR Flash 的輕量級文件數(shù)據(jù)存儲方案，用于需要斷電數(shù)據(jù)保存的項目。

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

kFlashFile 從設計上分為三層：

• 最底層是 Driver 層：即 Low-level 驅(qū)動，這層是 MCU 相關的，對于 i.MXRT 來說，就是 FlexSPI 模塊的驅(qū)動。
• 中間是 Adapter 層：主要用于適配底層 Driver，不同 MCU 其 Driver 接口函數(shù)可能不同，因此會在這一層做到接口統(tǒng)一。
• 最頂層是 API 層：純軟件邏輯設計來實現(xiàn)文件數(shù)據(jù)存儲，提供了四個非常簡易的 API。

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二、設計

2.1 API 定義

kFlashFile 是一個文件數(shù)據(jù)存儲的設計，file_read()、file_save()是兩個必備的 API，此外也提供業(yè)界通用 API 接口 file_init()、file_deinit()。

kflash_file_init(): 用于初次分配 Flash 空間來存儲文件數(shù)據(jù)，并且指定文件長度。如果當前指定的 Flash 空間里存在有效文件數(shù)據(jù)，那么繼續(xù)復用。kflash_file_read(): 用于獲取當前有效存儲的文件數(shù)據(jù)，文件數(shù)據(jù)可以部分讀取。

kflash_file_save(): 用于實時寫入最新的文件數(shù)據(jù)，文件數(shù)據(jù)可以部分更新。

kflash_file_deinit(): 用于清除當前分配的 Flash 空間里的文件數(shù)據(jù)，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，前面是文件數(shù)據(jù)區(qū)（Data Sectors），后面是文件頭區(qū)（Header Sectors）。

文件數(shù)據(jù)區(qū)：從區(qū)內(nèi)起始地址開始按序存放一份份文件數(shù)據(jù)，只要文件數(shù)據(jù)出現(xiàn)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存儲。如果數(shù)據(jù)區(qū)滿了，便擦除區(qū)內(nèi)起始地址處的歷史文件數(shù)據(jù)，繼續(xù)循環(huán)存儲。

文件頭區(qū)：區(qū)內(nèi) Sector 起始地址放一個 Magic 值（4 字節(jié)），用于標識文件頭。然后開始按序記錄一份份文件數(shù)據(jù)在文件數(shù)據(jù)區(qū)里的位置信息（默認用 2byte 去記錄一份文件數(shù)據(jù)的位置）。如果當前 Header Sector 存儲滿了，便換到下一個 Header Sector 繼續(xù)記錄。

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2.3 API 主參數(shù)

kFlashFile 設計上使用 kflash_file_t 型作為 API 主參數(shù)，這個參數(shù)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：表示文件存儲區(qū)映射首地址，即 kflash_file_init() 調(diào)用時的 memStart 值加上 Flash 在內(nèi)存里映射首地址，managedStart 需要以 Flash Sector 大小對齊。

managedSize：表示文件存儲區(qū)總大小，即 kflash_file_init() 調(diào)用時的 memSize 值，需要是 Flash Sector 大小的整數(shù)倍。

activedStart：表示當前有效文件數(shù)據(jù)存儲的映射首地址，需要以 Flash Page 大小對齊。

activedSize：表示當前有效文件數(shù)據(jù)長度，需要是 Flash Page 大小的整數(shù)倍。

recordedIdx：表示當前有效文件頭所在的 Header Sector 索引。

recordedPos：表示 Header Sector 中用于存儲當前有效文件數(shù)據(jù)位置信息的區(qū)域偏移。

buffer[]：當前有效的文件數(shù)據(jù)暫存區(qū)。

三、實現(xiàn)

3.1 Driver 層

在 i.MXRT 系列上，kFlashFile 的 Driver 層即 FlexSPI NOR 驅(qū)動，這個驅(qū)動既可以采用 MCU SDK 版本，也可以采用 BootROM 版本。

此處推薦 BootROM 版本的 FlexSPI NOR 驅(qū)動，因為這個驅(qū)動歷經(jīng)多個 MCU ROM 的洗禮，已經(jīng)相當成熟穩(wěn)定。這里簡單講下其中 Flash 操作的函數(shù)：

• flexspi_nor_flash_erase(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config, uint32_t start, uint32_t length)：這個函數(shù)實現(xiàn) Flash 擦除，雖然形參里是任意設定的 start, address，但實際擦除還是以 Sector 對齊的，函數(shù)內(nèi)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)：這個函數(shù)實現(xiàn) Flash 編程，一次固定寫一整個 Page 大小的數(shù)據(jù)，即使 dstAddr 不是以 Page 對齊，實際寫入的 Page 數(shù)據(jù)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() 每次都要固定編程整個 Page 數(shù)據(jù)，不夠靈活，因此我新寫了一個 flexspi_nor_flash_program() 函數(shù)，這個函數(shù)支持編程用戶自定義長度的數(shù)據(jù)，并且支持跨物理 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，對于 SDR 模式的 Flash，最小編程長度可以是 1Byte；而 DDR 模式的 Flash，最小編程長度應是 2Bytes（如果這 2Bytes 地址上有一個 Byte 內(nèi)容是 0xFF，該 Byte 依舊可以被再次編程）。

此外 flexspi_nor_flash_program() 函數(shù)有一個限制，即傳入的 src 源數(shù)據(jù)首地址必須 4 字節(jié)對齊，哪怕你只想寫入 2 個字節(jié)，這是 FlexSPI 模塊底層對驅(qū)動的要求。

3.2 Adapter 層

kFlashFile 的 Adapter 層是對 Driver 層做了一層封裝，用于屏蔽硬件相關特性。該層與 MCU 以及板載 Flash 型號息息相關。下面的宏定義適用 i.MXRT1170 芯片以及連接在 FlexSPI1 上的 Octal Flash（MX25UM51345）：

//?表示?Flash?連接的是?FlexSPI1
#define?KFLASH_INSTANCE??????????(1)
//?BootROM?FlexSPI?驅(qū)動對?Octal?Flash?支持的簡易配置值
#define?KFLASH_CONFIG_OPTION?????(0xc0403007)

//?FlexSPI1?在系統(tǒng)內(nèi)存中的映射首地址
#define?KFLASH_BASE_ADDRESS??????(0x30000000)
//?默認的?Flash?Sector/Page?大小（如果?Flash?里有?SFDP，則此處定義無效）
#define?KFLASH_SECTOR_SIZE???????(0x1000)
#define?KFLASH_PAGE_SIZE?????????(256)

//?FlexSPI?編程接口對傳入的?src?源數(shù)據(jù)首地址必須?4?字節(jié)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 層接口函數(shù)如下，參數(shù)是硬件無關的，因此上層可以輕松基于這些接口函數(shù)做純軟件邏輯設計。

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，這里介紹具體代碼實現(xiàn)，先來看幾個關鍵的宏定義：

//?設置?Header?Sector?的個數(shù)，至少是?2?個
#define?KFLASH_HDR_SECTORS?????(2)
//?設置?Header?Sector?中用于存儲當前有效文件數(shù)據(jù)位置信息的區(qū)域存儲類型
//?uint16_t?最多可記錄?65536?個位置，最大可支持的?Data?區(qū)域大小為?65536?*?文件數(shù)據(jù)長度
#define?KFLASH_HDR_POS_TYPE????uint16_t???/*?uint16_t?or?uint32_t?*/
//?設置總分配的?Flash?長度（Data+Header?Sector?的個數(shù)），至少是?4?個
#define?KFLASH_MIN_SECTORS?????(KFLASH_HDR_SECTORS?+?2)
//?設置最大支持的文件數(shù)據(jù)長度，需是?Flash?Page?的整數(shù)倍
#define?KFLASH_MAX_FILE_SIZE???(KFLASH_PAGE_SIZE?*?2)

3.3.1 init()

kflash_file_init() 函數(shù)處理流程如下：

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如果是首次指定 Flash 空間，那么直接將全部空間擦除干凈，并在第一個 Header Sector 中寫入初始文件頭（Magic + 文件數(shù)據(jù)位置值 0），即最新有效文件數(shù)據(jù)在 Flash 空間文件數(shù)據(jù)區(qū)的首地址。

這里有一個特殊的設計，文件數(shù)據(jù)區(qū)其實并不是直接存儲用戶寫入的文件數(shù)據(jù)，而是將用戶文件數(shù)據(jù)全部按位取反之后再存儲進 Flash。這里假定用戶數(shù)據(jù)初始應該是全 0，然后更改主要是將 0 值改為其他值，取反之后，正好對應 Flash 里的 bit1 編程為 bit0（Flash 擦除后是全 0xFF），這樣可以充分利用 Flash 覆蓋操作以減少擦除次數(shù)。

函數(shù)中比較關鍵的步驟是找尋當前 Flash 空間中是否存在有效文件數(shù)據(jù)，方法是遍歷 Header Sector，發(fā)現(xiàn)存在 Magic 便繼續(xù)尋找最新文件數(shù)據(jù)位置信息存放的區(qū)域（默認 2 字節(jié)），按照前面的設計，只需要按序讀取區(qū)域內(nèi)容，直到遇到 0xFFFF 為止。

3.3.2 read()

kflash_file_read() 函數(shù)最簡單了，直接從緩存區(qū) buffer 里獲取數(shù)據(jù)即可，因為每次更新文件數(shù)據(jù)操作完成之后都會將最新文件數(shù)據(jù)放在 buffer 里。

3.3.3 save()

kflash_file_save() 函數(shù)是最核心的函數(shù)了，這里邏輯比較復雜，涉及文件數(shù)據(jù)區(qū)全部滿了之后的動作，以及文件頭區(qū)某個 Sector 滿了的動作。其處理流程如下：

當有一個新文件數(shù)據(jù)要求保存時，首先會判斷這個文件能不能在 Flash 中直接覆蓋存儲，如果能，那就直接覆蓋存儲，文件頭完全不需要更新，這種情況比較簡單。

如果新文件數(shù)據(jù)無法直接覆蓋存儲，那么首先判斷文件數(shù)據(jù)區(qū)是否滿了，如果上一個文件數(shù)據(jù)已經(jīng)存在了文件數(shù)據(jù)區(qū)的最后位置，此時需要擦除數(shù)據(jù)區(qū)第一個 Sector 從頭開始存儲。如果沒有到最后位置，那就按序往下存儲。

新文件數(shù)據(jù)已經(jīng)保存到數(shù)據(jù)區(qū)之后，此時需要處理文件頭，記錄這個新文件數(shù)據(jù)的位置。如果文件頭區(qū)已經(jīng)記錄到當前 Sector 的最后位置，需要切換到下一個 Sector 開始存儲，切換存儲完新位置后，將之前 Sector 擦除。如果沒有，那就按序在當前 Sector 繼續(xù)記錄。

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3.3.4 deinit()

kflash_file_deinit() 函數(shù)也比較簡單，就是將文件頭區(qū)域 Header Sectors 全部擦除即可，文件數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容可以不用管，下次重新分配 Flash 時會做擦除。