[发明专利]一种利用MRAM存储文件目录的文件存储系统

说明书

技术领域

本发明涉及文件存储系统，尤其涉及一种利用MRAM文件目录的文件存储系统。

背景技术

现在计算机、智能手机、平板电脑中，用户数据、文件被存在硬盘，或者NAND 闪存芯片中以及由NAND闪存组成的固态硬盘里。NAND和固态硬盘取代传统的机械 硬盘又是一个产业发展的大趋势。

硬盘和固态硬盘内的NAND闪存都是整块读写的块设备(blockdevice)，最小 可读取的单元叫页(page)，最小可擦除的单元叫块(block)，一个块往往由很多 页组成，块擦除后里面的页可以进行单独的写入操作。

NAND闪存的一个问题是NAND具有有限的寿命。里面的每一个页经过一定次数 的擦写以后，就会永久失效不能继续使用。目前的产业发展趋势是NAND的容量和 数据密度增长非常快，但却是以降低寿命为代价。可擦写次数从最初的10万次降 低到目前的3000次左右。

如图1所示，手机与计算机的文件操作方式如下：

(1)应用软件向操作系统发出打开、关闭、读、写文件指令；

(2)操作系统中的文件系统部分把读、写文件的指令转化为读、写存储块的指 令；

(3)NAND驱动与管理软件接受读写存储块区的指令，进行缓存、写均衡等优 化，向芯片发出读page，写block等指令。

在手机中，NAND驱动与管理软件通常作为与操作系统紧密相关的软件模块， 在主机芯片上运行；在计算机中，NAND驱动与管理软件通常在固态硬盘的主控芯 片上运行。

文件系统是操作系统软件中的一个重要部分，负责解决文件的存储问题。它会 把文件划分成一个个的块，一般每一个块和NAND闪存中的一个页对应。

文件系统的一个基本任务是，让用户和应用程序能够通过一个文件名/路径名， 找到文件数据在存储器中的地址。然而在很多文件系统中，这个步骤是比较复杂的。 为了方便用户查找文件，文件系统是按多级目录组织起来的。计算机必须从根目录 开始搜索下一级目录所在的地址。而在很多文件系统中，比如始于Windows操作系 统中的FAT和始于Liux操作系统的ext2、ext3，目录是作为文件的一种，和普通 文件以相同的方式存储的。如果文件是存储在NAND或者基于NAND的固态硬盘中， 每一次查找目录都要读一次NAND，对于ext2、ext3甚至可能要读两次NAND。在缓 存没有命中的情况下，每一次读NAND都是很耗时的，因为NAND必须整页地读出， 可能还需要查错纠错。如果文件在一个深层的目录中，那么找到它的数据之前必须 打开很多NAND页。

这样的存储目录的方式还有一个问题：一个目录中的总字节数常常很少，把它 作为一个文件存储，就至少要占用一整页的空间。在一些新的NAND芯片中，一页 有可能多达16K。这样的存储效率是很低的。

某些比较新的文件系统，比如YAFFS，开始把所有文件的目录都做成紧致的数 据结构，集中在一起，关机时存放在某些NAND页里，开机时上传到RAM中。这样， 极大地提高了查找文件的速度。但却带来了另外一个问题：如果系统发生意外断电， 比如用户手机落在地上，电池摔脱了，RAM中的数据丢失，导致NAND中的目录与 实际情况不符。还好YAFFS在每个NAND页中都添加了一下附件信息。此时不得不 启动非常耗时的对所有NAND页的扫描，能够恢复大部分目录组织，但是还是会产 生一些没有名字的文件。

另外一个问题，就是文件系统中的目录通常是非常频繁地被修改的。用户会增 加文件，删除文件，重命名，把文件从一个目录移到另一个目录中。而一些跟目录 相关的数据也经常被修改。比如有些文件系统记录一个文件上一次被读的时间。所 以当一个文件只是被读一下，这文件相关联的目录项就要被改写，不但如此，搜索 这个文件所经过的目录因为都被打开过，相应的记录也要被改写。由于NAND芯片 只能承受有限次的擦写，延长其使用寿命，应该从目录着手。

本领域技术人员致力于提供一种文件存储系统，既能够高性能、安全地管理文 件目录，又能够延长系统的使用寿命。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种文件存储 系统，既能够高性能、安全地管理文件目录，又能够延长系统的使用寿命。