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大容量?jì)却嫖募到y設計及μC/OS下的實(shí)現
摘要：針對某些嵌入式系統中處理數據量大和速度要求高的特點(diǎn)，提出一種應用于嵌入式系統中的大容量?jì)却嫖募到y的實(shí)現方案。該方案通過(guò)在內存中建立文件系統，將臨時(shí)數據有效組織于內存中，既提高訪(fǎng)問(wèn)速度又節省外存空間，因而能滿(mǎn)足要求；通過(guò)將其移植到μC/OS系統下，便可進(jìn)行性能測試和分析。結果表明，本內存文件系統具有較高的查找效率和內存利用率。引言
嵌入式系統憑借其特有的功能和資源占用量少的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應用。根據成本和設計的需要，一般的嵌入式系統都配置很少的外部存儲空間甚至不帶外部磁盤(pán)。但隨著(zhù)用戶(hù)需求和功能復雜度的增加，越來(lái)越多的嵌入式系統需要處理大容量的數據，或者在運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的臨時(shí)數據。一方面這些數據處理完后不能立即刪除；另一方面這些臨時(shí)文件不需要長(cháng)期保存。例如，用來(lái)上網(wǎng)沖浪的機頂盒設備在用戶(hù)瀏覽過(guò)程中不斷從互聯(lián)網(wǎng)上接收數據，因此用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)后的頁(yè)面很可能再次瀏覽，所不能將瀏覽后的網(wǎng)頁(yè)立即清除，當然，系統不需要也不可能將所有瀏覽過(guò)的頁(yè)面保存于硬盤(pán)中。所以，處理數據量的增大給嵌入式系統的設計提供了新的要求。
一般來(lái)說(shuō)，嵌入式系統處理大容量臨時(shí)數據的有效方法是設計一個(gè)內存文件系統存儲這些數據。內存文件系統MFS（Memory File System）是一個(gè)在內存中對文件實(shí)行按名存取的底層軟件。和普通磁盤(pán)文件系統相比，內存文件系統具有存取速度快、可動(dòng)態(tài)改變文件系統大小和數據掉電即丟失的優(yōu)點(diǎn)，因此它適用于高速的臨時(shí)數據處理。Linux下的Tmpfs、Proc文件系統以及Freebsd下的MFS都是一種內存文件系統。但是，這些通用操作系統上的內存文件系統不能夠直接運用于到嵌入式系統中：其一，它們都是為資源豐富的通用PC平臺設計的，不適用于資源有限的嵌入式系統；其二，這些通用內存文件系統的設計方案一般是利用內存來(lái)模擬磁盤(pán)文件系統，在內存中會(huì )建立文件系統緩沖區。這就是說(shuō)除了文件系統本身占據了內存之外，磁盤(pán)緩沖區又會(huì )占所一些內存，這些就會(huì )導致內存的浪費和利用率的下降。根據上述考慮，本文設計了一適合于嵌放式大容量數據處理的嵌入式內存文件系統EMFS（Fmbedded Momory File System）。文中首先闡述了EMFS嵌入式系統的設計要點(diǎn)，隨后討論了如果將其移植到μC/OS系統，最后對其性能進(jìn)行了分析和測試。
1 EMFS的設計
從前面分析得知，本文設計的EMFS不采用通用文件系統的磁盤(pán)設計方法，如Linux系統的Ext2節點(diǎn)結構和Windows的FAT結構。EMFS對文件的主要管理方式為：
①文件的各個(gè)屬性單獨存儲在文件信息表（file status table）中；
②文件數據塊用鏈表來(lái)分配和管理，文件數據塊大小可以動(dòng)態(tài)改變，這樣可以避免在系統運行過(guò)程中產(chǎn)生大量的碎片；
③為了提高文件的讀寫(xiě)和查找速度，設置一個(gè)全局散列表（Hash表）作為文件的讀寫(xiě)及查找入口；每個(gè)文件根據其文件名、文件長(cháng)度計算出一個(gè)Hash值；然后在Hash表找到文件對應的Hash項，這樣就可以讀出文件的屬性和數據。
圖1表示了EMFS在內存中的組織結構。
每一個(gè)存儲于EMFS的文件在全局Hash表都有個(gè)對應的入口項。其文件屬性和文件名、文件長(cháng)度、創(chuàng )建時(shí)間等存入文件狀態(tài)表，文件內容存儲于從空閑塊鏈表申請到的數據塊中。文件的Hash表、狀態(tài)表和數據塊通過(guò)指針鏈接起來(lái)，如圖2所示，下面分別介紹文件系統的Hash表、狀態(tài)表和數據塊鏈表。
1.1 全局Hash表
（1）Hash值的產(chǎn)生
從圖2可看出，Hash表是整個(gè)文件系統讀寫(xiě)和查找的入口，通過(guò)計算文件的Hash值來(lái)找到其在Hash表中的位置，從而訪(fǎng)問(wèn)文件狀態(tài)表和數據塊。因此文件系統的查找效率主體現在，如何通過(guò)文件信息計算其對應的Hash值以及如何有效地組織Hash表。圖3表示了EMFS系統中Hash表的構成情況，每個(gè)文件對應8字節的Hash值。其中前2個(gè)字節是文件名長(cháng)度和文件名第一個(gè)字節的ASCII碼值，接下來(lái)的2個(gè)字節是文件名的16CRC（循環(huán)冗余校驗編碼），最后4個(gè)字節文件名的32CRC編碼。這里為了減少同文件對應相同Hash值的概率，文件名的Hash值中既包含了文件名的16CRC編碼又包含了32CRC編碼。
（2）Hash表的組織和查找
在獲得Hash值后，如何將8個(gè)字節的Hash值有效地組織在全局Hash表中來(lái)獲得最高的查找速度是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。根據數據結構算法理論可知，將Hash表順序組織為一個(gè)有序表，可以通過(guò)折半查找法來(lái)獲得最高的查找效率。其比較次數最多為└log2n┘ 1（n為表中的記錄個(gè)數），其平均查找長(cháng)度ASL（Average Search Length）近似為log2(n 1)-1。然而，隨著(zhù)文件的動(dòng)態(tài)增加或刪除，每個(gè)文件對應的Hash值或大或小，這樣系統的Hash表并不能保證是一個(gè)順序表，因此就不能采用折半查找法。如果首先將無(wú)序的Hash表排列為有序表再采用折半法查找，那么即使在最好的情況下，排序操作所需要的時(shí)間復雜度也為O（nlogn），同時(shí)還需要其它的輔助存儲，這樣在排序操作上就要花費大量的時(shí)間和存儲空間，使整個(gè)系統的查找效率大大降低。針對此不足，本文采用鏈地址法組織全局Hash表，將全局Hash表分為兩部分：其本表和溢出表。其基本思想為：首先分配一個(gè)固定大�。ㄟ@里假設取1024項）的順序表作為基本表，每個(gè)文件計算得出的Ha
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