Cortex-M3 FLASH 日志文件系统

小灰灰 2022-03-29 15:10 342阅读 0赞

本文简要介绍一下本人在Cortex-M3系统的STM32F10x芯片上开发的一个日志文件系统（与其说是系统，不如说是小小的库）。该库的特点是将在STM32F10x芯片上处理数据（历史记录）变得简单可靠。因为我所做的项目基本上都为监控系统，需要记录各种各样的日志，并可随时上传至中心服务器。利用该库就可以很容易的使用该接口完成数据的初始化、读取、写入和删除。而且随着该库的应用，稳定性也得到了验证，应用到其它项目中也更有底气了。本库分两部分，一部分支持内部FLASH,一部分支持外部FLASH。由于硬件设计的成本考虑，我们经常需要考虑使用内部FLASH或者外部FLASH的情况，在存储数据量不大，而选择的芯片内部FLASH空间足够时，就可以将数据存储在内部FLASH，当数据量大时，却可以选择存储在外部FLASH,对于应用程序而言，只需要修改一下宏定义来映射不同的库函数即可。

通过该库在我的项目团队中应用，感觉对于数据存储部分，大家都形成了共识，代码基本上不用考虑FLASH地址如何计算，如果确保擦写平均等……通过应用此库，并规划好空间分析，并设定，即可开始记录的操作了。

以下是关于此库的简要说明：

内部FLASH采用的是NOR FLASH，它的特点是芯片内执行，这样应用程序就可以直接在FLASH闪存内运行，不必再把代码读到系统的RAM中。日志文件系统的主要功能是以内部FLASH地址作为存储空间（直接使用内部FLASH空间，减少硬件成本），在Cortex-M3系统CPU芯片上，按页建立的一个日志文件系统。可以使用一个或者多个连续页建立一个文件系统，一个文件系统可以存储一个定长的数据，对于不定长的数据，可以按最长长度建立。日志文件系统提供统一的API接口来访问内部FLASH中的数据，同时提供了FLASH空间的平均擦除算法，提高FLASH的使用寿命。日志文件系统按记录方式进行存储，对于需要提供记录方式的应用来说，利用此文件系统可以带来很大的便利性。例如：某监控系统需要记录历史告警信息，又或某系统需要记录操作日志记录等。

内部文件系统按扇区建立记录引导表，通过扇区引导表可快速定位记录位置，同时，通过扇区记录表的信息可以快速建立文件的信息（记录数量，第一条记录位置）等。一般情况下，每个扇区为2K，为充分利用文件系统的优势，记录长度应该远小于2K，以确保合适的空间利用率。建立扇区数据存储可支持不定长记录，同时存储了数据的校验和，同时数据写入后会立马会立即校验，以确保数据成功写入，失败时会继续向后写入，以应对各种异常情况。数据存储时会写入的数据长度，读取时也会有返回写入的长度，写入时会生成校验，并在写入和读取时都会校验。

本文件系统具有任意时间掉电恢复功能，由于操作FLASH过程中，程序出现意外死机或者掉电，程序可最大限度的保障用户数据的安全，并对数据进行恢复。日志文件系统使用连续的空间作为其存储的条件，因此，在日志文件系统中的记录是有序的，不能从中间删除记录，以确保日志记录的完整性。

本说明书编写的目的是介绍内部FLASH日志文件系统包含的API函数信息、各函数的作用、各函数如何调用和它们之间的关联以及一些结构体和常数的定义。本说明可作为初级程序员使用本文件系统的程序员在使用FLASH时的参考手册。

主要优势：

1、 日志化记录结构，方便操作和维护

2、 平均擦除算法，提高FLASH使用寿命

3、 异常掉电自恢复功能

4、 数据校验功能

5、 无需操作系统支持，简单易用

日志文件系统使用的方式非常简单，通过简单三步即可完成日志文件系统的使用。

（1）       定义一个文件描述句柄对象

定义文件描述句柄对象，是使用前必须完成的一步，该描述定义了本文件系统使用扇区开始地址（注意：不般在程序用不到的空间之外的连续空间）、使用扇区的数量、本文件的区别ID，本日志文件记录的最大数据长度，提供了上述信息之后，就已经定义好了一个日志文件了。

文件描述句柄对象一般为全局变量，一般可在文件范围内使用，同时必须保存句柄在整个程序运行期内有效。

（2）       初始化文件句柄

定义的文件描述句柄仅仅指定了文件需要使用的空间位置，日志记录大小，区别ID等信息，为正式开始使用此日志文件，需要对其进行初始化，包括扫描指定FLASH地址的各扇区，确保与文件描述句柄描述一致，当出现不一致的扇区时，将会重新初始化此扇区。同时初始化会扫描扇区分区表信息，获取扇区内记录数量。

（3）       使用文件句柄

当初始化成功后，就可以开始使用此日志文件了。包括取得日志文件中包括的记录数量，读取、删除其中的记录，向日志文件记录中添加记录等操作。

一段简单应用的示例：

// 从FLASH中加载某一配置，成功返回0，否则返回1
    // 通过使用日志文件系统的方式，将可以占用一个扇区来存放配置(实际上你必须这么做-
    // FLASH只能按扇区擦除)，如此，当多次配置变更时，通过写入一条新的配置，并删除
    // 前一条配置(置删除标志)，正至配置写完整个区域，才会开始删除扇区，并开始新的写入。
    // 以下示例占用一个扇区的空间作为配置空间，写的配置的大小由参数设定(cfg)
    lfsin_t lfs_cfg = 
    {
    	FLASH_OFFSET_CFG,    // 开始地址偏移(FLASH的偏移地址)
    	0,                       // 开始页
    	1,                       // 结束页[start, end)，占用一页空间
    	LFS_TYPE_CFG,         // 该文件系统的类型标识 
    	sizeof(cfg_t),            // 记录的日志最大大小 
    	-1,                     // 用于内部表示开始的头(写的位置),不需要指定
    	-1,                     // 用于内部表示开始的尾(读的位置) ,不需要指定
    	0,                     // 可用日志记录条数,不需要指定
    	0                     // 当前读的头位置(扇区的ID位置) ,不需要指定
    };
    
    int LoadCfg(void)
    {
        int rdlen;
        int buf[10];
        unsigned char cfg_load = 0;
        lfsin_load(&lfs_cfg); // 初始化日志文件（扫描记录区）
        
        // 读取第一条记录(如果有一条配置信息)，buf用来存放读出数据的缓冲区
        rdlen = lfsin_read(&lfs_cfg, 0, buf, sizeof(cfg_t))
        
        // 判断读取的数据是否符合要求
        if (rdlen == sizeof(cfg_t)){
            cfg_load = 1; // 成功加载配置
            return 0;
        }else{
            cfg_load = 0; //加载配置失败
            return 1;
        }
    }

我将在另一篇博客中详细说明具体的实现方式。