kFlashFile

一、簡(jiǎn)介

kFlashFile 是一個(gè)基于 NOR Flash 的輕量級(jí)文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，用于需要斷電數(shù)據(jù)保存的項(xiàng)目。

kFlashFile 主要為 i.MXRT 系列設(shè)計(jì)，但其分層框架設(shè)計(jì)使其也可輕松移植到其他 MCU 平臺(tái)。

kFlashFile 從設(shè)計(jì)上分為三層：

最底層是 Driver 層：即 Low-level 驅(qū)動(dòng)，這層是 MCU 相關(guān)的，對(duì)于 i.MXRT 來說，就是 FlexSPI 模塊的驅(qū)動(dòng)。

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(huì)在這一層做到接口統(tǒng)一。

最頂層是 API 層：純軟件邏輯設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提供了四個(gè)非常簡(jiǎn)易的 API。

二、設(shè)計(jì)

2.1 API 定義

kFlashFile 是一個(gè)文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)，file_read()、file_save()是兩個(gè)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(chǔ)文件數(shù)據(jù)，并且指定文件長(zhǎng)度。如果當(dāng)前指定的 Flash 空間里存在有效文件數(shù)據(jù)，那么繼續(xù)復(fù)用。kflash_file_read(): 用于獲取當(dāng)前有效存儲(chǔ)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(shí)時(shí)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(dāng)前分配的 Flash 空間里的文件數(shù)據(jù)，以便下次重新分配。

2.2 空間分配

kFlashFile 將分配的 Flash 空間分成兩個(gè)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(huì)在下一個(gè)新地址重新存儲(chǔ)。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(chǔ)。

文件頭區(qū)：區(qū)內(nèi) Sector 起始地址放一個(gè) Magic 值（4 字節(jié)），用于標(biāo)識(shí)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(rèn)用 2byte 去記錄一份文件數(shù)據(jù)的位置）。如果當(dāng)前 Header Sector 存儲(chǔ)滿了，便換到下一個(gè) Header Sector 繼續(xù)記錄。

2.3 API 主參數(shù)

kFlashFile 設(shè)計(jì)上使用 kflash_file_t 型作為 API 主參數(shù)，這個(gè)參數(shù)原型定義如下：

managedStart：表示文件存儲(chǔ)區(qū)映射首地址，即 kflash_file_init() 調(diào)用時(shí)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(duì)齊。

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

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

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

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

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

buffer[]：當(dāng)前有效的文件數(shù)據(jù)暫存區(qū)。

三、實(shí)現(xiàn)

3.1 Driver 層

在 i.MXRT 系列上，kFlashFile 的 Driver 層即 FlexSPI NOR 驅(qū)動(dòng)，這個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)，因?yàn)檫@個(gè)驅(qū)動(dòng)歷經(jīng)多個(gè) MCU ROM 的洗禮，已經(jīng)相當(dāng)成熟穩(wěn)定。這里簡(jiǎn)單講下其中 Flash 操作的函數(shù)：

因?yàn)?flexspi_nor_flash_page_program() 每次都要固定編程整個(gè) Page 數(shù)據(jù)，不夠靈活，因此我新寫了一個(gè) flexspi_nor_flash_program() 函數(shù)，這個(gè)函數(shù)支持編程用戶自定義長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，并且支持跨物理 Page 去寫：

需要特別注意，對(duì)于 SDR 模式的 Flash，最小編程長(zhǎng)度可以是 1Byte；而 DDR 模式的 Flash，最小編程長(zhǎng)度應(yīng)是 2Bytes（如果這 2Bytes 地址上有一個(gè) 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(gè)限制，即傳入的 src 源數(shù)據(jù)首地址必須 4 字節(jié)對(duì)齊，哪怕你只想寫入 2 個(gè)字節(jié)，這是 FlexSPI 模塊底層對(duì)驅(qū)動(dòng)的要求。

3.2 Adapter 層

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

kFlashFile 的 Adapter 層接口函數(shù)如下，參數(shù)是硬件無關(guān)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(shè)計(jì)。

3.3 API 層

kFlashFile 的 API 功能設(shè)計(jì)思路前面介紹過了，這里介紹具體代碼實(shí)現(xiàn)，先來看幾個(gè)關(guān)鍵的宏定義：

3.3.1 init()

kflash_file_init() 函數(shù)處理流程如下：

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(gè) 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(gè)特殊的設(shè)計(jì)，文件數(shù)據(jù)區(qū)其實(shí)并不是直接存儲(chǔ)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(chǔ)進(jìn) Flash。這里假定用戶數(shù)據(jù)初始應(yīng)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(duì)應(yīng) 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(guān)鍵的步驟是找尋當(dāng)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(rèn) 2 字節(jié)），按照前面的設(shè)計(jì)，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(jiǎn)單了，直接從緩存區(qū) buffer 里獲取數(shù)據(jù)即可，因?yàn)槊看胃挛募?shù)據(jù)操作完成之后都會(huì)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(fù)雜，涉及文件數(shù)據(jù)區(qū)全部滿了之后的動(dòng)作，以及文件頭區(qū)某個(gè) Sector 滿了的動(dòng)作。其處理流程如下：

當(dāng)有一個(gè)新文件數(shù)據(jù)要求保存時(shí)，首先會(huì)判斷這個(gè)文件能不能在 Flash 中直接覆蓋存儲(chǔ)，如果能，那就直接覆蓋存儲(chǔ)，文件頭完全不需要更新，這種情況比較簡(jiǎn)單。

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

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

3.3.4 deinit()

kflash_file_deinit() 函數(shù)也比較簡(jiǎn)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(shí)會(huì)做擦除。