CN111324574B - 支持动态管理的块映射文件*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支持动态管理的块映射文件***，用于对磁盘空间进行管理，当块映射文件***收到上层传来的文件操作请求时，块映射文件***首先对DBI进行索引获得对应的DBI数据结构，再通过DBI数据结构中的分配的首BBM索引号定位到对应的BBM数据结构，通过BBM数据结构中后一BBM索引号确定一个文件是由哪些BBM索引组成，从而确定了一个文件由哪些数据单元DBU组成，再对数据单元DBU完成读写操作后更新BBM数据结构；其中一条DBI数据结构对应一个文件，一条BBM数据结构对应一个DBU。本发明采用映射表的方式管理磁盘空间，文件的追加、删除、磁盘空间的释放都将变得简单灵活。

Description

支持动态管理的块映射文件***
技术领域
本发明涉及嵌入式实时操作***中的文件***，特别涉及在航空机载环境中进行可靠数据存储的嵌入式文件***中的一种支持动态管理的块映射文件***。
背景技术
嵌入式文件***是嵌入式实时操作***的重要组成部分，提供对海量数据在存储设备或分区上进行文件组织的方法。负责为用户建立、读取、写入、检索和删除文件等操作提供方法和相应软件接口。
嵌入式文件***能够实现对数据文件和目录的结构化管理，确定数据在存储设备上的存储方式和数据文件之间的逻辑关系，提高存储设备的空间使用效率，完成对数据文件的各种操作，并对用户提供透明的文件操作接口。
目前航空机载环境普遍采用FAT32文件***和部分定制文件***。FAT32文件***接口标准，数据结构复杂，在实际使用过程中，也暴露出可靠性差、文件易损坏等诸多问题；针对FAT32所暴露出来的问题，部分定制文件***采用轻量化设计，具备可靠性高、文件掉电非易失等特点，但这类文件***针对数据种类都划分了特定的存储区域与之对应，不同种类的数据不能跨区域进行存储，存储空间的使用上不够灵活。面对航空领域的飞速发展和更高要求，上述嵌入式文件***都已不能同时满足高可靠性、高灵活度的要求。
支持动态管理的块映射文件***(Dynamic Data Block Mapping File System)在保证可靠性的大前提下，能够做到磁盘空间的动态管理，不再局限在磁盘特定区域只能存放固定种类数据的限制，各种类型数据都能灵活存放，文件删除后的空间会被文件***回收用来存放其他类型的数据，实现了磁盘空间的动态管理；DDBM文件***接口标准，能够无缝耦合进现有嵌入式实时操作***，和标准通讯协议能够做到无需改动接口就可以直接挂接并使用；DDBM文件***作为一款针对嵌入式环境开发的航空定制高可靠文件***，可以满足航空机载环境的产品支撑，具有数据存放安全可靠，磁盘空间灵活管理，接口标准等特点。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种支持动态管理的块映射文件***，打破原有一种数据类型对应一个数据分区的模式，将整个磁盘空间统一管理，采用映射表的方式管理磁盘空间，文件的追加、删除、磁盘空间的释放都将变得简单灵活，为现有和未来航空机载数据存储设备提供一个具有高可靠性、高灵活度和标准接口的航空嵌入式文件***。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种支持动态管理的块映射文件***，用于对磁盘空间进行管理，当块映射文件***收到上层传来的文件操作请求时，块映射文件***首先对DBI进行索引获得对应的DBI数据结构，再通过DBI数据结构中的分配的首BBM索引号定位到对应的BBM数据结构，通过BBM数据结构中后一BBM索引号确定一个文件是由哪些BBM索引组成，从而确定了一个文件由哪些数据单元DBU组成，再对数据单元DBU完成读写操作后更新BBM数据结构；其中一条DBI数据结构对应一个文件，一条BBM数据结构对应一个DBU。
本发明的有益效果在于：
本发明大大提高了航空机载环境下嵌入式文件***的可靠性，对通用文件***和部分专用文件***不能同时兼顾高可靠和高灵活的缺陷进行了有效的改进，将整个磁盘空间统一管理，采用映射表的方式管理磁盘空间，文件的追加、删除、磁盘空间的释放都将变得简单灵活，为航空机载嵌入式环境下的高可靠文件***的研发提供了关键技术路线图。
附图说明
图1是块映射文件***对磁盘空间的划分图。
图2是块映射文件***的DBI数据结构图。
图3是块映射文件***中块映射关系图。
图4是块映射文件***的BBM数据结构图。
图5是块映射文件***与I/O***之间的关系框图。
图6是块映射文件***的层次图。
图7是块映射文件***中单个文件的组成示意图
图8是块映射文件***数据软件架构图。
图9是块映射文件***的数据结构关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例所示的一种支持动态管理的块映射文件***采用DOS分区规范，参见图1所示的块映射文件***对磁盘空间的划分图，磁盘首扇区为主引导记录MBR(Main BootRecord)，在此基础上，增加了数据索引区DBI(Data Block Index)，磁盘块映射区BBM(Block to Block Map)和数据区DBA(Data Block Aera)。数据区DBA又被切分成了若干连续的相同大小的数据单元DBU(Data Block Unit)，块映射文件***的基本数据单位为DBU。同一产品中DBU大小固定大小根据具体应用的不同，在64MBytes到2GBytes范围之间可调，但在同一产品中大小固定。
主引导记录MBR中存放块映射文件***相关信息，包括DBI数据结构总条数，BBM数据结构总个数，磁盘标记，魔数等信息。MBR中的文件***相关信息只读不写，其信息由地面工具在对磁盘格式化的时候写入，存储设备在磁盘***设备初始化过程中进行读取。主引导记录MBR是最上层数据结构，记录了块映射文件***的关键信息，通过MBR可以确定DBI位置、BBM位置、DBI总数和BBM总数等信息。磁盘末尾存有备份MBR信息MBR2。
数据索引区DBI中存放DBI数据结构，磁盘末尾存有备份DBI2并自带校验和，防止因设备异常掉电或其他原因造成的数据存坏，从而保证块映射文件***的可靠性。DBI数据结构建立的条件是每当新建文件时就建立一条DBI数据结构，同一文件夹下的DBI数据结构中的文件夹信息保持一致；当新建DBI数据结构时DBI的空间已满将启动循环记录，删除时间上最早的DBI数据结构并释放对应的BBM数据结构和DBU空间。参见图2所示，每条DBI数据结构对应一个文件分配的首BBM索引号，用于快速查找文件对应实际内容的BBM数据结构。DBI数据结构由于不需要频繁读写，建立和更新后都将直接将DBI数据结构写入磁盘。DBI数据结构中的具体含义由表1定义：
表1
Figure BDA0002391597210000041
Figure BDA0002391597210000051
磁盘块映射区BBM是DBA中数据单元DBU的映射，参见图3所示，每一个DBU对应BBM中的一条BBM数据结构，BBM数据结构总数和DBU总数保持一致，DBU1对应BBM1数据结构，DBU2对应BBM2数据结构，依此类推。DBU中只存放数据，DBU中存放的数据类型，属于哪一个文件，文件的完整路径、文件的读写位置等关键信息都存放在对应的BBM数据结构中，索引顺序与DBU划分顺序一一对应。参见图4所示，BBM数据结构中定义了对应DBU的起始地址和结束地址，块映射文件***每次对DBU的操作都需要先查询对应的BBM以获取关键信息，操作完成后要及时更新相应的BBM信息。为保证数据的一致性，BBM数据结构和DBU的更新顺序规定为先写入数据暨先写入DBU，再更新BBM数据结构。通过这种写入方式，即便存储设备异常掉电，也不会出现BBM数据结构中指示的数据和实际DBU中存储的数据出现不一致的情况。磁盘块映射区BBM紧跟数据索引区DBI存放，磁盘末尾存有备份BBM2并自带校验和，防止因设备异常掉电或其他原因造成的数据存坏，从而保证块映射文件***的可靠性。BBM数据结构中的具体含义由表2定义：
表2
Figure BDA0002391597210000061
Figure BDA0002391597210000071
按照磁盘1TBytes容量，一条DBI数据结构占用1个扇区(512字节)，一个BBM数据结构占用1个扇区(512字节)，数据单元DBU每个大小64MBytes计算，所需的DBI总容量为10240(允许建立10240个文件，循环记录)x 512字节，共5242880字节，约5M字节，BBM总容量为(1024x1024/64)x 512字节，共8388608字节，约8M字节。由以上推算可以看出，磁盘映射管理层信息所占用的空间较少，当块映射文件***初始化，这部分信息将被读入内存，由于是在内存操作，速度较快，同时由于整体数据量不大，落盘一次的开销也在可接受的范围之内，对整体文件***的效率影响十分有限。为保证文件***可靠性，DBI和BBM信息落盘可设置为多次发生更改后落盘或每次发生更改就落盘，策略灵活。
参见图5所示，本块映射文件***为用户提供一套标准的，符合POSIX规范的文件***接口。用户可以通过careate()、open()、read()、write()、close()、ioctl()、remove()共7个接口完成数据在存储设备上的创建、读取、写入、删除等操作。块映射文件***向上提供文件***标准I/O接口，向下调用块设备驱动层(XBD，CBIO)完成对实际块物理设备(如固态硬盘SSD)的操作。
参见图6所示，块映射文件***从上到下主要分为五层。第一层是文件***标准I/O层，块映射文件***在设计之初就考虑到和嵌入式实时操作***的挂接问题，块映射文件***接口符合POSIX标准下对文件***接口的规范，属于文件***标准I/O层范畴，主要包括careate()、open()、read()、write()、close()、ioctl()、remove()共七个标准接口，可以无缝衔接主流嵌入式实时操作***和标准传输协议，当操作***发生变更时，块映射文件***无需更改或调整接口就可以直接应用。第二层是磁盘映射管理层，主要涉及数据索引区DBI和块映射区BBM的操作。参见图9所示，当用户调用一个文件时，磁盘映射管理层将首先在DBI区以文件名称为条件索引DBI数据结构，根据索引结果可以确定该文件是否存在从而确定是分配一条新DBI数据结构或打开已有DBI数据结构，再根据DBI中的首BBM索引号信息找到对应的BBM数据结构，再通过BBM数据结构中的前一和后一BBM索引号，可以很快确定一个文件是由哪些BBM数据结构组成，由于BBM数据结构和DBU一一对应，也就同时确定了一个文件由哪些DBU组成。例如在图7所示的文件中，这个文件是由DBU2、DBU10、DBU16、DBU30和DBU36所组成，通过最后一个DBU36所对应的BBM36数据结构中的写位置指针，可以计算出这个文件的具体文件大小。第三层是磁盘逻辑层，从磁盘映射管理层确定的BBM数据结构将传递给本层，通过BBM和DBU之间的映射关系，从而定位具体的DBU进行操作。第四层块设备驱动层是操作***的标准实现，对不同的嵌入式实时操作***来说，块设备的驱动规范并不相同，如风河公司的Vxworks实时操作***，5.5版本及以下是CBIO驱动规范，6.8版本及以上是XBD驱动规范。块映射文件***直接调用这一层的驱动读写接口，并不关心这一层的具体实现。第五层是块设备物理层，这一层主要定义了块设备的具体物理形式，如块设备是基于NAND Flash的固态盘SSD或SD卡等存储设备。
图8是块映射文件***数据软件架构图。块映射文件***提供用户层接口，分别是usrFsCreate()、usrFsOpen()、usrFsRead()、usrFsWrite()、usrFsClose()、usrFsIoctl()、usrFsRemove()对应POSIX标准下文件***标准I/O接口。块映射文件***核心层实现了对DBI和BBM的操作接口，这部分接口用户并不可见，由上述七个标准接口进行调用。BSP驱动层则提供了实际的块设备读写接口，由操作***实现，块映射文件***只负责进行调用。块设备驱动层属于操作***的标准实现，本方案不再详述。
块映射文件***基于其特定的使用方式，数据文件在磁盘上不再以扇区或簇为单位，而是以DBU为基本数据单元进行分配和回收，使用策略非常灵活，做到了磁盘空间的动态管理。由于文件在磁盘上的分布将不再连续。属于同一文件的DBU的先后顺序将由对应的BBM进行双向索引。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种支持动态管理的块映射文件***，用于对磁盘空间进行管理，其特征在于所述磁盘空间包含主引导记录MBR、数据索引区DBI、磁盘块映射区BBM和数据区DBA，数据区DBA又被切分成了若干连续的相同大小的数据单元DBU，数据索引区DBI存储DBI数据结构，磁盘块映射区BBM存储BBM数据结构，数据单元DBU存储数据，当块映射文件***收到上层传来的文件操作请求时，块映射文件***首先对DBI进行索引获得对应的DBI数据结构，再通过DBI数据结构中的分配的首BBM索引号定位到对应的BBM数据结构，通过BBM数据结构中后一BBM索引号确定一个文件是由哪些BBM索引组成，从而确定了一个文件由哪些数据单元DBU组成，再对数据单元DBU完成读写操作后更新BBM数据结构；其中一条DBI数据结构对应一个文件，一条BBM数据结构对应一个DBU。
2.根据权利要求1所述的一种支持动态管理的块映射文件***，其特征在于一条DBI数据结构占用1个扇区，一条BBM数据结构占用1个扇区。
3.根据权利要求1所述的一种支持动态管理的块映射文件***，其特征在于主引导记录MBR、数据索引区DBI、磁盘块映射区BBM在磁盘末尾存有备份。
4.根据权利要求1所述的一种支持动态管理的块映射文件***，其特征在于当新建DBI数据结构时DBI的空间已满将启动循环记录，删除时间上最早的DBI数据结构并释放对应的BBM数据结构和DBU空间。
5.根据权利要求1所述的一种支持动态管理的块映射文件***，其特征在于BBM数据结构和DBU的更新顺序为数据先写入DBU，再更新BBM数据结构。
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