一种低性能嵌入式系统中FAT文件系统的缓存机制外文翻译资料

武汉理工大学

毕业设计（论文）

外文文献翻译

一种低性能嵌入式系统中FAT文件系统的缓存机制

Jeaho Hwang, Kangheui Won

*RTST, 218 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon, Republic of Korea

jhhwang@rtst.co.kr, khwon@rtst.co.kr

摘要

FAT文件系统是各种目标和操作系统上最常见的文件系统之一。但是，由于在顺序写入低带宽存储时需要读取FAT区域和目录项，FAT文件系统存在性能问题。在本文中，我们设计并实现了一种高效的FAT缓存机制，用于顺序写入低带宽存储。该机制包括两部分：元数据缓存和整个FAT预读缓存。最终，通过我们的缓存机制可将低带宽存储顺序写入的性能提高了20倍。

关键词：文件系统；FAT；缓存；嵌入式系统；操作系统

1 引言

自1977年开发以来，文件分配表（FAT）文件系统已被广泛使用。尽管该经典文件系统与现代文件系统，例如NTFS和ext4相比仍具有一些缺点，但由于其简单性和兼容性，仍被用于U盘等。因此，可以优先考虑使用FAT文件系统来设计嵌入式系统。但是，如果将其机制运行在低速存储设备上，可能会导致灾难性的性能问题[1]。

为了覆盖低速设备的延迟，通常使用缓冲和异步I/O。使用这些方案，在数据存储到缓冲区条目中之后，写命令将立即返回。对存储设备的实际写入操作将异步完成。这种方法可以提高后续写入操作的性能，直到缓冲区写满。

另一方面，由于读操作应与写操作同步进行，读取操作需一直等待至设备发送数据。最重要的是，等待延迟不仅包括从设备中读取数据的时间，还包括缓冲区中所有写入操作的写入时间。因此，大量写操作之间的读操作会通过缓冲影响性能提升。为了使大容量写入的缓冲效果最大化，应将读取操作减至最少。

但是，即使在顺序写入操作中，FAT文件系统也需要进行一定的读取操作。顺序写入文件系统将查找目标文件的目录条目以更新其大小，并查找FAT扇区以分配新的簇来扩展文件。因此，FAT文件系统机制会导致顺序写操作的性能下降[2]。

在本文中，我们引入了一种缓存机制，该机制消除了在顺序写入操作之间的设备读取操作，从而最大可能优化了顺序写入的性能。

2 设计

1. 环境

在本文中，我们假设一嵌入式系统板与存储介质连接，其数据带宽为80KBps（每秒千字节）。嵌入式板会定期将大型日志写入存储中。因此，顺序写入性能是最为重要的。该存储具有一个硬件队列作为命令缓冲区。它存储命令并在接收到写命令时返回，队列存储命令，直到接收到读命令才处理该命令。

为了模拟我们假设的环境，我们使用P2020 RDB ppc架构板作为嵌入式板，并使用一种由RTST [3]开发的实时操作系统RTWORKS作为操作系统。我们使用RAM模拟低带宽存储，它是一个400MB的虚拟存储，格式为FAT32文件系统。

为了模拟存储的低带宽，我们对每个读写操作都设置了12ms的延迟。对于写操作，将计算估计的完成时间（ETC）。如果在最后一个ETC之后发出写操作，则ETC将重置为当前时间之后的12ms。相反，如果在ETC之前发出写操作，则ETC会推迟到12ms。我们可以预期当前缓冲区将在ETC处刷新。更频繁的写入操作使ETC累积更大。我们假设没有缓冲区溢出；缓冲区大小是无限的。

对于读操作，由于它应该等待直到刷新缓冲区，所以它会休眠直到ETC和附加的12ms作为自己的延迟。通过这种方法，我们可以模拟顺序写入中读取操作的性能损失。

1. 元数据缓存

为了模拟存储的低带宽，我们对每个读写操作都设置了12ms的延迟。对于写操作，将计算估计的完成时间（ETC）。如果在最后一个ETC之后发出写操作，则ETC将重置为当前时间之后的12ms。相反，如果在ETC之前发出写操作，则ETC会推迟到12ms。我们可以预期当前缓冲区将在ETC处刷新。更频繁的写入操作使ETC累积更大。我们假设没有缓冲区溢出；缓冲区大小是无限的。

为避免传统的将读取操作传递给设备的方法，我们设计了以FAT区域，目录条目为主的元数据扇区直写式缓存。在FAT文件系统中顺序写入仅读取这些元数据，因此不需要缓存数据扇区。我们使用10个目录组成的链表实现原型LRU缓存。当应该读取元数据扇区时，它首先查找缓存并将目标扇区插入列表的头部。

由于所需的缓存大小很小，因此简单的链表的查找成本可以忽略。通过使用缓存，硬件读取仅发生在文件创建中。这些读取成本可以忽略不计，因为它们发生在海量数据写入之前。开始顺序写入后，几乎所有通过写入，同步，关闭和重新打开操作进行的读取都会被缓存处理。但当文件变大时，我们会观察到周期性的硬件读取操作。为了消除那些硬件阅读，我们应该设计第二种方法。

1. 整体FAT预读缓存

FAT文件系统将簇作为一组多个扇区的集合来管理空间。FAT区域是文件和簇之间的映射。如果文件扩展到簇的大小，则文件系统通过查找FAT区域分配一个新的空簇。由于FAT区域也由扇区组成，因此查找FAT区域需要进行读操作。
例如，当完成大容量的顺序写入时，文件大小超过了当前分配的簇大小，并且在FAT区域的当前读取扇区中没有更多的空簇。在这种情况下，必须读取一个新扇区，这可能会使高速缓存未命中，从而导致性能下降的硬件读取。普通的预读方法也不能保证解决此问题，因为我们无法预测将读取哪个扇区。
为了完全消除FAT区域的读取操作，我们设计了FAT整体预读缓存。在安装时，它将FAT区域的所有扇区读入RAM。 2GB FAT32存储大约需要500KB，考虑到最新嵌入式硬件的RAM大小，此要求是合理的成本。发出FAT区域的读取操作时，它将从FAT缓存而不是LRU缓存或设备中读取。与LRU缓存一样，此缓存也可用作直写式缓存。通过使用这种方法，我们保证了顺序写入的性能，因为在顺序写入之间完全不会发生硬件读取。

3 评价

1. 实验设计

为了进行评估，我们在测试环境中定期进行顺序写操作，这在第二章中进行了介绍。 虚拟存储的格式为FAT32，并在启动时挂载。挂载后，将填充整个FAT缓存，然后创建测试文件。测试过程每5秒顺序写入50KB，共50次。由于虚拟存储的速度约为80KB/s，因此每个周期都不会影响其他周期。我们评估了每个期间的写入时间。

1. 结果

评估结果如图1。可以看出，未使用任何优化方式时，写入时间大约为353-462ms。但是，通过使用元数据和整个FAT缓存，写入时间可缩短至最少15ms：大约快20倍。该结果证明了高速缓存可以最大限度地提高低带宽存储的性能。

另一方面，仅使用LRU元数据高速缓存时，除了读取新FAT扇区多出的时间段之外，与使用两个高速缓存的性能几乎相同。尽管整个FAT预读高速缓存占用较大的内存大小，并且在引导时需要较长的读取时间，但它们是可以在保证性能实时性的前提下进行合理的权衡的。

图3.1 每个周期的写入时间

4 结论

在本文中，我们通过消除大型顺序写入之间的硬件读取来最大化低带宽存储的缓冲方案，以提高性能并保证实时性。我们实现了两种类型的元数据缓存方法，即LRU缓存和整个FAT预读缓存，以防止在顺序写入之间出现任何缓存丢失，并表现出约23倍的性能提升。
硬件和软件在嵌入式系统中必须相互补充。这项工作可能是软件可以帮助低性能硬件改善整体性能的协同设计示例之一。
尽管整个FAT预读缓冲区的权衡是合理的，但仍有一些改进的余地。我们无法在启动时读取整个FAT区域，因为我们无法预测要读取的FAT扇区。如果可以预测，则可以减小缓存大小，以便将其应用于具有较小RAM大小的嵌入式系统。

5 致谢

这项工作得到了韩国政府（MSIP）资助的信息和通信技术促进研究所（IITP）的资助（编号R0190-15-2071，基于云图的开放式PNP平台，用于自动驾驶汽车的多样性）。

6 参考文献

[1] 'FAT File System (Windows Embedded CE 6.0)', Microsoft. 2010-01-06.

[2] W. Vogels, 'File system usage in Windows NT 4.0'. Proceedings of the seventeenth ACM symposium on Operating systems principles, pp 93- 109. ACM New York, 1999.

[3] (2015) RTST website. [Online]. Available: http://www.rtst.com/

基于半导体制冷技术的多功能便携式温度控制箱的

研究与开发

Jun Yu1, Lihui Sun

Dean`s Office, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, China

School of Information and Control Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin

132022, China

a83770573@qq.com, bsunlihui2000@126.com

摘要

市场上的大多数音频播放器都使用oAbstract的硬件过滤器。为满足太空，军事，医疗，生物制品等领域的低温和恒温要求，设计了一种基于半导体制冷技术的多功能便携式温度控制箱。该系统以单片机为控制核心、采用半导体制冷技术，应用半导体TEC器件的制冷原理和工作方法、将大功率MOS管和两组继电器相结合、利用PID和滞后系统补偿软件控制算法来控制半导体TEC器件的极性和开关控制，设计了简单，可靠的硬件驱动电路，从而实现工作模式切换和功率调节。该系统实现-5℃〜60℃恒温控制，控制精度高，具有体积小，成本低，环境清洁的特点。

关键词：温度控制；半导体；TEC

1 引言

近年来，能源短缺和环境污染加剧，各国开始禁止使用氟氯化碳（氯氟烃），这给制冷行业带来了重大问题，环保制冷技术的研究与开发已成为所有国家的巨大挑战，因此半导体制冷技术应运而生。尽管市场上已经出现了各种类型的制冷设备，但是由于其体积大，难以精确地控制制冷温度。为了满足太空，军事，医疗，生物制品等的低温和恒温要求，设计了一种基于半导体制冷技术的多功能便携式温度控制箱，实现了-5℃〜60℃的恒温控制，具有很高的控制精度，同时具有时钟功能和自动模式转换功能，以确保系统的安全可靠运行。

2 半导体制冷原理分析

2.1 半导体制冷原理

在本文中，我们假设一嵌入式系统板与存储介质连接，其数据带宽为80KBps（每秒千字节）。嵌入式板会定期将大型日志写入存储中。因此，顺序写入性能是最为重要的。该存储具有一个硬件队列作为命令缓冲区。它存储命令并在接收到写命令时返回，队列存储命令，直到接收到读命令才处理该命令。

半导体制冷是帕

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