智能卡COS文件系统结构模型的研究与应用

智能卡COS文件系统结构模型的研究与应用 分类号: 学校代号: :密级: 学 号: 广东工业大学硕士学位 工学硕士 智能卡文件系统结构模型的研究与应用 马海峰 指导老师姓名、职称:奎岱垩 麴援 企业导师姓名、职称: 玉 专业或领域名称: 让箕扭廑旦撞丕 学生所属学院: 让簋扭堂瞳 论文答辩日期: 三二二生五旦帅 四 嗍 肌, 洲 ?? 四 : :. ,,..,摘要 摘 要 随着的大规模应用,智能卡是发展业务的有效平台,智能卡的需求将大幅 增加。的通道和卡的多应用平台,为交互式应用业务的开展提供了条 件,实现了多个应用同时运行的多通道机制。时代,用户在手机上就可通过 卡完成各种银行或金融类业务,实现手机缴费、银行转账、电子购物、电子钱包等等, 为用户的日常生活增添便利。智能卡文件系统 ,简称主要负责管理的最小单位是 逻辑块,对上层应用提供的最小单位是文件。文件系统结构对整体文件系统的检索和 匹配速度有着重要的意义。文件系统结构主要包括:文件的物理结构和文件的逻辑结 构。本文主要目标就是基于这两点对智能卡文件系统结构进行分析和研究。 本文首先深入剖析了、、等几种嵌入式文件系统的结构和原理, 主要从物理存储结构、内存数据结构、文件系统挂载、垃圾回收策略四个方面进行研 究和比较。并依据这些理论对智能卡文件系统存储空间的分配和管理、逻辑结构、文 件类型、文件系统相关数据组织结构和物理特性等问题分析和研究,具体给出 问题的解决思路。 本文针对的物理特性和多应用需求提出一个智能卡文件系统结构模型。 此模型主要利用层次化理论将文件系统的各个功能模块进行划分,封装内部的功能模 块,只对上层应用提供应用接口。同时通过层隐藏底层硬件的物理特性,更 加高效的管理物理存储空间和文件内容,提高文件系统的效率和的可移植性。然 后依据智能卡文件系统结构模型的模块划分理论,具体了一个适合多应用 特性的文件系统。通过卡的应用来证明智能卡文件系统结构模型能够满足多应 用的需求和的物理特性,具有良好的稳定性和兼容性。 最后通过基于场景的软件体系结构分析方法对智能卡结构模型的安全性、稳定性、 扩展性进行分析和评估,最终得出评价的结论。通过该评估方法可以检查文件系统结 构模型存在的问题,逐步改进其性能,以提高其兼容性和稳定性。 关键词:智能卡;文件系统:;结构模型广东工业大学硕士学位论文, ? . ?, .. , , , ,. ’,. . . ., ,,,. , , :. : , , . , , . ,. , . , ... ? ’. .. . . , . : ; ;; 了 广东工业大学硕士学位论文 目 录 摘罢要?.??.??.. 第一章绪论.智能卡国内外研究背景?. ..智能卡国际研究状况 ..智能卡国内研究状况??.. .选题背景及意义 .论文的结构安排. 第二章常用文件系统结构的问题分析一 . 文件系统结构存在的问题??一 .. 存储器特性??. .. 文件系统层次结构??.. .. 文件系统结构分析.. ..日志式文件系统结构分析??. . 结构问题分析??....上述问题的解决思路? .本章小结??. 第三章结构模型的构建? . 结构构成要素分析??. . 层次结构划分?一 . 结构模型. .. 相关数据结构?一 .. 物理空间分配及其存储结构?.. .. 的相关文件操作.. .. 存储空间的管理.. .. 结构模型.. .本章小结??.. 第四章结构模型的应用?. .文件命令解释模块?。 目 录 .. 命令和响应结构一 ..文件命令执行逻辑..文件命令操作接口.文件访问的安全控制? .逻辑文件系统? ..创建文件操作.. ..选择文件操作.. ..删除文件操作.. ..查询操作? ..读写透明文件操作..激活与去激活文件操作 .物理文件系统. ..物理存储空间分配?。 ..物理存储结构.. . 驱动模块层 ..垃圾回收机制。 ..均衡磨损机制.. ..掉电保护机制? ..空闲块的分配.. .本章小结??.. 第五章结构模型的评估. 结构模型的评价方法?.. . 结构模型的评价手段?. ..仿真与测试环境 ..场景一:结构模型的稳定性评价 ..场景二:结构模型的安全性评价 ..场景三:结构模型的扩展性评价 .性能分析??。 .评估结论??. 总结.. 参考文献.. 攻读硕士学位期间发表的论文。 学位论文独创性声明?. 广东工业大学硕士学位论文 致谢?..??. .?.?..??.?.??.. .. ..?. ...?.........??..........?..?.....?... ..??..?...?.. .?.. ..??.. ..??. ..??.. ... .??.. .??.. .?.??.....?. ..??. ..?. .. ..? ......?.....?..?......?....?...:;.? ?广东工业大学硕士学位论丈 ..?.......??..?..........?... ... ..??. ..?. ....??.?.?.?.? ..?.?.?.?.??. .:;.?..??.? ..?。 .:;.?.?..??.?.?. ...?.?. ..?..... . .?...?........?..............?..........?.??...?. ... ..?. .?.??....?.?.......??.?...?..?.?....?.... ..??.. .;..??.??... .. . ...?.??....??.......?..?..?......??.... ...?..??..?.. . .........??..........?..?...?.?..?.?.......??....??.??.. .?. .. .... ..? : ..? : .... : .?.?.??..?.?. ?‘ ’。 ? 自 自目目自自目自 ... ’ ....??..?.?..?.?.......?.?..?.?..?.??....??... 第一章绪论 第一章绪论 .智能卡国内外研究背景 ..智能卡国际研究状况 智能卡,的英文名称为 ,是法国人 于年发明 的,法国布尔公司于年首先开发的产品,并将这项技术应用到银行、电信、 社保等多个行业。随着的大规模应用,智能卡是发展业务的有效平台, 智能卡的需求将大幅增加,并获得更为广泛的应用。 智能卡操作系统乜,是驻留在智能卡内的操作系统,简称。类似于上 的系统,不过比系统要简单的多。智能卡主要用于接受和处理 终端如手机或者读卡器发给智能卡卡的各种信息,执行终端发送的 操作指令如命令,有效管理物理存储空间,返回组织数据和状态给终 端等心,。一般来说,智能卡系统模型婚,共由部分组成:通信管理模块、安 全管理模块、文件管理模块、应用处理模块。 早期的智能卡主要是单应用智能卡,,卡片应用是在发售卡片时,已经将具 体的应用安装在卡内,只提供单一的功能,如公交卡。随着芯片和智能卡技术 的 发展,产生了静态多应用智能卡。静态多应用智能卡是在发卡时,在卡中固定 的 写入多个应用,实现不同的功能。它的好处是卡片初始化时固化好各个应用 不再 变动,这样降低了存储器的擦写次数,延长了整个卡片的使用寿命。 随着开放式操作系统平台的发展,特别是多应用平台的发展,产生了 动态多应用智能卡”,可以同时容纳多个应用,并且允许动态地装载、更新或删 除应用。动态多应用智能卡是智能卡发展的趋势,国际上比较有代表性的包括: 由公司提出的,主要应用于金融领域的,;公司提出的微软智能卡视窗, 的概念;公司将基于 技术的虚拟机移植到智能卡芯片中,提出了一套应用与智能卡的框架。目 前这些技术在国外都得到了广泛应用?。广东工业大学硕士学位论文 ..智能卡国内研究状况 智能卡操作系统进入我国的时间较晚,从年月国家金卡工程正式启 动。随着近年来的大规模应用,卡的多应用平台为交互式应用业务的 开展提供了条件,同时也实现支付手段的革命性变化。因此国产厂家开发 的力量主要集中在开发符合的银行卡。标准是基于规范 制定而成的。 由于开放式系统研发的软硬件成本较高,私有操作系统是目前国内厂 家普遍采用的方式,技术水平与发达国家相比还有很大的差距。目前我国已经有 多个厂家从事智能卡的研究和开发,如北京握奇数据、大唐微电子、华大电 子、东信和平等公司。在智能卡操作系统领域,较有代表性的是握奇数据的 .和清华同方的等。由于业务的跨平台需求,特别是 多应用卡?,的发展,以往自定义自解释的业务指令模式,已经不能适应现在市场 的需要。于是出现了各种跨平台的业务定义方法,它定义了业务的描述方法,使 得业务可以用一种统一的模式来开发。作为一种平台无关的技术,它依赖 于实现的虚拟机,适应了一卡多用的安全要求慷”。因此对智能卡的研 发具备现实和长远利益。 .选题背景及意义 本文作者在研究生期间,主要从事智能卡文件系统的研究与开发工作, 本课题研究内容属于广东工业大学与中国通信服务有限公司广东公司的下属公 司智能卡公司合作的横向项目。本课题主要分析和研究了、 和等相关的智能卡通用标准规范,在此基础上开发了、、 .卡。 该课题的研究意义在于现有嵌入式文件系统阳”,不能直接移植到智能卡中,因 为芯片的物理特性和应用需求对文件系统起着决定性的因素。智能卡文件系统提 供给外界的逻辑组织结构是被标准化的,要求以文件的形式存储数据,以层次的 结构来组织文件的。对文件的物理存储方式和数据组织结构信息没有明确的规 定,并且文件系统的性能主要是由物理存储方式和数据组织结构决定的。本文针 对的物理特性和多应用的需求提出一个更具通用性的智能卡文件系 第一覃绪论 的设计和移植。因此,本课题对智能卡操作系统 本文主要深入剖析了、、:等几种嵌入式文件系统的结构和 原理,从物理存储结构、内存数据结构、文件系统挂载、垃圾回收策略四个 方面 进行研究和比较。同时结合智能卡的物理特性、应用需求总结这些嵌入式文 件系 统结构应用到上局限性和可借鉴之处。旨在研究和构建一个结构模 型,使其满足 多应用卡?,的需求,支持多文件系统?。具体的章节安排 如下: 第一章:绪论,在本章中本文重点描述了本文所选课题的研究背景、选题意 义及背景、论文结构的安排等内容。 第二章:主要深入剖析了、、等几种嵌入式文件系统的结 构和原理,从物理存储结构、内存数据结构等方面进行分析和比较。总结 中需要注意的问题,针对这些问题提出自己的解决思路。 第三章:结构模型的构建,主要分析和研究的构成要素,依据 层次化理论划分的层次结构。根据划分的层次结构具体分层介绍文件组织 相关的数据结构和物理存储结构,以及物理存储空间的管理机制,旨在构 建一个基于存储器的结构模型。 第四章:结构模型的应用,依据结构模型的模块划分,具体设 计了一个适合多应用特性的文件系统。通过卡来验证结构模 型的合理性和兼容性。 第五章:通过基于场景的软件体系结构分析方法对结构模型进行分析 和评估。依据结构模型在卡、.卡中的应用,对此结构模型 的安全性、稳定性、扩展性进行评价,通过性能分析最终得出评价的结论。 第六章:总结与展望,对论文中的创新点和不足点进行总结和介绍。 广东工业大学硕士学位论文 第二章常用文件系统结构的问题分析 智能卡是一个专用系统而不是通用系统,需要针对某种特定存储类型的智能 卡及其应用范围而设计。目前智能卡最佳的存储选择是存储器”,但是它 的物理特性对文件系统结构的设计和文件系统功能的实现起着决定性因素。现有针对 设计的专用嵌入式文件系统有很多,技术也很成熟,但是对于智能卡这种配置 容量很少的、作为主存,就成为制约智能卡文件系统的主要因素。如何将 这些成熟的技术和理论应用到我们的智能卡文件系统中如何更加有效地去分配和管 理存储空间这些问题都是我们需要研究和解决的。文件系统结构主要是两种形式的 结构:文件的物理结构和文件的逻辑结构,。本章将研究和分析现有几种文件系统结 构的优点和缺点,通过分析深刻理解现有文件系统的设计原理,掌握构造合理文件系 统结构的原则和方法。 . 文件系统结构存在的问题 基于的嵌入式文件系统?除了需要提供对文件中存储数据的读写、修改、 删除等文件操作之外,还要保证文件中数据的有效性、一致性和安全性。存储 器,的尺寸小,存储容量有限,且嵌入式系统的运行环境一般比较恶劣,要求嵌入 式文件系统具备较高的可靠性。为此,基于存储器的文件系统读写策略应该有 别于基于通用文件系统的读写策略。 文件系统按照基本的数据结构主要分为二种:链表式存储结构和块式存储结 构。其典型的代表是平台下的文件系统和日志数据结构的日志文件系统。 .. 存储器特性 存储器 “‘?’”是一类非易失性存储器,即断电后仍可以保 存片内的数据信息。但是存储器有其自身的读写特点,如擦除操作必须以块为单 位且写之前需擦除原数据,读写以页或字节为单位。智能卡文件系统的本质是以文件 形式对物理空间进行合理分配和管理,因此底层存储器的物理特性对智能卡文件系统 结构的设计起着决定性作用。 第二章常用文件系统结构的问题分析 目前在嵌入式系统中得到广泛应用的主要分为和两大类。这两种 存储器却有着各自的优缺点,结构上的差异还造成了 和 在读 写性能上的差异。这些差异对芯片性能的影响也很大,需要我们在整体设计 时把握其 特性,才能更好的设计整个系统的结构。..珉”,的特点是芯片内执行, ,即 程序可以直接在 闪存内运行,不必把代码读到系统中。 存储器的擦除操作是以 、 块为单位执行,典型的 存储器的块大小为 或。虽然 的传输效率很高,但是它的缺点是擦除电路复杂,擦写速度比较慢,最大擦写 次数约 为万次。 的寿命会因为不均衡的擦写操作而缩短。 ,的特点在于它能提供极高的存储密度,可以进行高密度存储,并 且写入和擦除的速度非常快。器件使用复杂的/口串行的存取数据,擦写速 度快,使用寿命比 更长,最大擦写次数可以达到万次。但是坏块和位 反转现象较多,对驱动程序的要求较高。 的存储空间被分为块 . 存储 和页。块尺寸较小,典型大小为,每块有若干页组成。 器以页为单位进行读写,以块为单位进行擦写操作。块中的数据必须顺序写 入,且写 入之前必须先擦除目标块。 因此存储器存在两个主要的缺点:一是擦写的时候必须将其原有的数据擦 除掉,并且就算是对块中任一位的数据进行修改都要先擦除整个块的数据;二是块的‖。一一‘ 擦除次数有限,如果一个块的擦除次数达到极限时有可能导致整个存储器无法使用。 然而 和 各具特色, 在代码的存储和执行方面有着 很大的优势,而 则体现出在大容量存储数据方面的优势,因此用途也不相 同。目前由于智能卡如卡在硬件资源和成本方面的限制,使我们必须追求存储 器在代码存储和执行上的优势,因此主要采用的是 。本文所讨论的文件系统 结构模型主要根据 的物理特性去分析和设计文件系统的物理存储结构和数 据组织结构,以提高文件系统模块的兼容性和稳定性。 .. 文件系统层次结构 文件系统,是由通用文件系统发展而来的,但是文件系统依赖于 的物理特性,从而导致了其文件系统结构和机上通用文件系统结构有很大 ’ 广东工业大学硕士学位论文“ 差异。 目前在上建立文件系统有两种方法:一是将模拟成与磁盘类似的 块设备,从而可以直接应用通用的文件系统“。如文件系统通过闪存转换层虚拟 存储器。二是依据的物理特性设计专用的文件系统池,,让文件系统通 过硬件驱动层直接管理存储空间。如文件系统就是专门针对 设 计的文件系统。 为了发挥文件系统的最大性能,本文可以采取闪存转换层池,封装底 层硬件相关的操作,向上层提供与底层存储器无关的接口,隐藏底层硬件的物理 特性和操作方法,这样就使文件系统的设计更加灵活。文件系统依据层次化结 构理论可以分为两层,如下图.所示: 用户层凸??仓 文 件 系 统抄?一俞 匪匦巫 图. 文件系统结构图 ‘ 其中文件管理层恤,主要通过闪存转换层提供的块设备操作接口对底层进行读、写和 擦除操作,封装文件系统的具体操作,向上层提供统一的文件操作接口。而层 恤, 主要针对的物理特性封装底层硬件的具体操作和复杂的管理控制功能,向文件 管理层提供块设备的读写接口,其主要功能是实现地址映射、垃圾回收、均衡磨损、 掉电保护等功能。 .. 文件系统结构分析文件系统“砷舢 即文件分配表文件系统,根据 其文件分配表项的大小位数,又分为,和三种。为了更深入 的理解文件系统结构幢”,我们首先从以下几个方面着手: 第二章常用文件系统结构的问题分析 文件系统物理存储空间的分配结构主要包括部分:主引导记录区、操作系 统引导记录区、文件分配表区、根目录区和数据区四蚓。 是一种链式数据结构心”,存储设备目录包含了表名称、文件大小、和分 配给该文件的首簇簇号。文件的存储依据表中存储的簇链式数据结构来进行的, 主要包括系统操作、目录操作和文件操作,实现了数据有效的组织和管理。其中 和的根目录区域紧跟在盯区域后面,存储根目录中文件和目录信息的目录表。 分区中文件目录表与?汀表的关系如下图.所示: 簇号 地址指针 ? ? 文件名 起始地址? 卯 ? ? ? ??一 肿 ? 图 分区中目录表与分区表之间的关系图 考虑到文件系统在嵌入式设备上实现的方便性以及存储器的存储容量, 大多的嵌入式文件系统选择。通用的文件系统不能直接移植到存储 器上主要有以下几点原因: 文件系统是针对磁盘设计的,而磁盘的寻址方式和闪存的寻址方式是不 相互兼容的。是以块为单位进行管理的,块的大小一般是、、。 文件系统分配磁盘空间是以簇为单位进行分配的,把整个磁盘空间分成字节 长的簇进行管理。 嵌入式文件系统运行环境恶劣,电源电压极不稳定,突然断电或者非法插拔 都会造成内存储的数据不一致性,导致系统的崩溃。通用文件系统自身没 有提供针对这些环境的保障机制,所以通用的文件系统不适合直接移植到 存储器上汹,。 存储器的物理特性决定了通用文件系统不能直接移植到 广东工业大学硕士学位论文 上。首先与磁盘相比,存储器具有读、写和擦除三种操作,而磁盘只有读、写 操作。其次表和文件目录表需要频繁的更新,这样就会导致该区域因为多次的擦 除操作而不能正常使用,影响了整个的使用寿命。 文件系统主要通过缓存技术来提高文件系统的可靠性和高效性?,。但是 基于的嵌入式文件系统资源有限,不能通过缓存技术来实现文件系统的可靠 性,只能通过其它方法提高其效率。 目前主要通过层的支持,将虚拟成逻辑块,使文件系统可以把 当做磁盘一样操作使用。但是它的缺点是增加了复杂性,并且对表的管理 和维护也制约了智能卡文件系统在搜索和匹配查找时的效率。因此嵌入式文件系统结 构的设计要充分考虑的物理特性,依据文件系统的原理开发出以文 件系统结构为基础的文件系统,实现数据的合理组织和有效管理,以发挥的性 能。 ..日志式文件系统结构分析 目前有许多针对存储器设计的嵌入式文件系统,如针对 存储器设 计的日志式文件系统口”和针对 存储器设计的文件系统乜,等等。 但是这些嵌入式文件系统的物理结构和数据组织结构都不能很好的直接应用到智能卡 文件系统中,具体原因分析如下:公司 文件系统怛订是瑞典的 针对存储器所设计开发的。其中结合了的物理特性对传统的日志 文件系统的结构进行了简化,是针对 存储器所开发的嵌入式文件系统。 文件系统是一个纯日志文件系统幢”,在嵌入式系统中被广泛应用。在 整个上的物理存储结构是按节点顺序存储的。日志节点是文件系统用于物理存 节点来表示。不在 储的唯一数据结构。所有的文件和目录都是用 闪存上存储文件的索引信息,这样能够提高磁盘的利用率。采用日志模式的优点是可 以把新的数据写到日志的尾部而不重写整个块的方法,改变普通文件系统的数据原位 更新问题。这样日志模式就有效地避免了存储器擦写操作的缺点,不用因为日 志的更新而反复擦写同一块数据,起到了均衡磨损的作用。在非正常断电导致文件系 统破坏后,只需要根据日志文件的记录信息,就可以迅速恢复系统,保证了系统的可第二章。常用丈件系统结构的问题分析 靠性和安全性。 主要特点是:支持数据压缩、基于哈希表的日志型文件系统,并提供了崩溃 /掉电保护和“写平衡”支持等功能,但其缺点是/文件系统在挂载时需要 扫描整个的内容,然后根据所有节点中存储的信息来生成一个文件系统的目录 树。同时也自动生成了一个文件在中物理存储位置的对应表,用来进行文件的寻 址操作。通过以上操作可以将所有与物理节点有关的信息都拷贝到中,放在一个成为 的数据结构中,从而有效的使内核避免重复操作。这个方法对 一些大容量内存的芯片来说,极大提高了文件系统的运行效率。同时当文件系统挂载 成功之后,需要占用大量的内存空间去管理这些链表。对大容量的闪存或芯片的 比较小的时候,就会因为要维护日志节点而占用大量的内存空间降低整个的运行 效率,并没有达到应用文件系统的目的。在进行垃圾块回收的时候是根据不同的概率 对各个链表上的块进行选择。这种概率的方法很难保证均衡的分配物理空间,造成一 些不必要的擦写操作,进而降低了文件系统的性能。所以我们在选择文件系统结构的 时候要根据实际情况来考虑。限于篇幅,这里就不再做进一步的描述,关于系列 文件系统的应用详细文档和相关主要的数据结构以及算法可参考补丁包中 ..和源代码情景分析。 针对 存储器设计的/文件系统“”也是一种以页为更新单位 的日志型文件系统。它提供通过提供掉电保护和均衡磨损机制来防止突然断电导致数 据丢失导致文件系统的崩溃。 与相比,为了解决在闪存上不能很好的发挥其性能的缺点, 以及的技术相对不成熟的情况下,根据闪存以页面为单位进行读、 写操作的特点,将文件组织成固定大小的节点。充分利用了 中每 个页面字节的备用空间,在文件系统加载时只需扫描各个页面的备份空间就可以建 立整个文件系统的结构,不需要像那样扫描整个存储介质,因此加载的速度更快, 占用内存更少。主要通过采用多策略混合的垃圾回收算法,高效的利用了贪心 。 一 ; 策略和随机选择的特点来实现垃圾回收和均衡磨损的功能。一? 和文件系统,都是针对存储器而设计的日志文件系统,它们在 的空间管理上有一定的效率。但是从运行过程中看,其主要的缺点一矧有: 装载文件系统的时间过长嘲 /挂载文件系统时需要扫描整个的存储空间,并在中创建 广东工业大学硕士学位论文 索引,因此问题的规模必然是同节点的数目成正比,也就是时间复杂度为。如 果 存储器的容量比较大的时候,扫描整个存储空间的时间就会更久。由于是大容 量的存储设备,并且读取芯片内容的时候需要进行校验,使挂载文件系 统的时间也很长。尽管不需要读取全部文件节点信息,但是它主要是针对 的智能卡或卡来说也是不合 设计的,所以相对基于 适的。 系统运行的时候需要的内存消耗量比较大汹 或文件系统每次加载都需要扫描上的所有节点信息。通过在 内存中维护一些特殊节点的信息,通过这些节点信息组织文件系统结构,实现对存储 空间的有效管理。但是这样占用了相当可观的内存空间。对于或卡而言, 内存容量将成为整个文件系统的瓶颈,并且用于垃圾回收机制的内存消耗也是不可接 受的。 以上针对的嵌入式文件系统结构的问题分析可知,如果使用存储 器作为系统的存储设备,则根据存储器的类型首选这两种文件系统。鉴于以上 问题的分析,可知不能将这些文件系统结构直接应用到本文所研究的智能卡芯片中。 . 结构问题分析,以下简称在设计的时候会因为选 智能卡文件系统瞄, 择不同的存储器和应用范围而遇到许多问题。特别是随着应用的发展,需要针对特 定问题进行定量分析,所以说是一个专用的系统。针对以上几种文件系统结构 中存在的问题,据此研究和分析智能卡文件系统中存在哪些需要解决的问题。 的本质是以文件形式对卡内数据进行存储和管理,为上层应用提供安全有效 的数据【嚣。有其自身的特点和要求,主要表现为文件系统对硬件的物理特性和不 同的应用需求等方面的依赖性。根据以上文件系统结构的分析,在设计的过程中 需要考虑以下问题: ‘ 的专门性。。 是一个专用文件系统,受底层硬件的物理特性和具体开发的应用需求限制口,。 不同的应用需要根据不同的国际规范去设计文件系统结构和开发功能需求,如 卡和 卡就属于两个不同的应用。这些因素造成了文件系统结构设计的复杂性 第二章常用文件系统结构的问题分析 和可移植性差。 文件和目录项的物理存储结构和数据组织结构 由于底层芯片的擦写特性限制,不能直接应用现在比较成熟的嵌入式文件系 统结构和原理,需要根据具体的应用需求和硬件去设计适合的物理存储结构 和 数据组织结构,避免文件系统在中应用的重复擦写问题。 针对的读、写和擦除操作的特性,物理存储空间如何分配才能够最 大发挥的性能。 智能卡所采取的芯片硬件资源有限,特别是内存的容量很小。如何针对这些 特性去设计文件系统,并确保在搜索匹配时的效率能满足的需求。 存储容量有限,硬件环境恶劣,寿命有限等缺点,需要提供掉 电保护、均衡磨损、垃圾回收等机制,保证内数据的一致性和安全性。 如何实现文件的按名存取,使文件系统的操作更加直观和方便,以对用户以 透明的方式管理名字空间。 ?。一. 提供文件的安全访问控制机制,确保文件操作的安全性,保证文件内存储数 据的一致性和安全性。 随着多应用技术的发展,对应用的管理其实就是文件系统对应用文件 的管理。需要支持多文件系统和动态管理物理存储空间。 在开发、、.卡文件系统的项目中,发现这几种应用中的?一.“。: 文件系统在结构和许多功能需求上完全可以应用一个的文件系统结构来实 现,因为国 际标准里只规定了文件系统的类型、逻辑结构、选择规则和方法,对如何实现文件系 统没有规定。因此的结构和具体功能如何才能更加灵活的实现。 .上述问题的解决思路 通过以上各节的分析,针对设计的日志式文件系统不能直接应用到 中。需要根据以上嵌入式文件系统结构和原理,设计一个基于 的文件系统。 本文采取通过闪存转换层虚拟存储器的块策略,利用文件系统结构原理 . 去设计和实现。 通过对 存储器的物理特性的分析可知, 对某个单元进行 改写操作之前,必须对要改写的地址单元进行擦除操作且擦除操作必须以块为单位町。广东工业大学硕士学位论文 存储器的擦除操作是以块为单位执行,典型的 存储器的块大小为 、或。本文利用其擦写特性和逻辑块式结构去管理物理存储空间。本文 的设计可参考将 分成以或为大小的若干逻辑块。每个逻辑块的逻 辑号可转化为文件系统里的逻辑地址,即文件系统内部使用逻辑地址进行操作。创建 文件的时候根据当前文件的大小去分配逻辑块的个数,垃圾回收时以逻辑块为单位进 行回收。这样设计就可以有效的适应擦除操作以块为单位的特性,而不导致因 为擦除操作需要交换块内数据的频率过大,影响的运行效率。同时也方便 有效管理物理存储空间,减少逻辑块的擦除次数,延长的寿命。最后通过 层将逻辑地址转换为物理地址进行文件系统对底层物理空间的读、写和擦除操作。 智能卡内文件的存储结构包括两个部分:文件描述块、文件体。根据 国际规范标准中的定义可以看出,在中需要创建的文件类型、大小、文件名等 一些信息是已经定义好的,只需要在创建的时候执行命令脚本去顺序创建文件, 创建文件系统的逻辑结构。由于文件的存储结构将文件的属性信息和具体数据分开存 储,这样就有利于将文件属性的部分信息抽取出来以目录项存储在父目录文件的文件 体中,作为搜索匹配的关键字,建立文件的索引结构。这样可以方便和快速的定位文 件在存储器中的位置,又可以避免文件系统将表存储在固定位置所引起擦写 过于频繁的问题。 在层,利用位示图的方法来管理存储空间。位示图隗删以位标示逻辑 块的分配状态,为垃圾回收提供快速有效的判别标示。位示图法可以有效的避免通用 文件系统那样通过空闲块链接法,管理空闲块所造成的资源消耗。分析现有几种 均衡磨损算法,的优缺点,结合的特点,采取合适的均衡磨损策略。本文的均衡 磨损策略与垃圾回收机制的策略相结合,可以从策略上达到垃圾回收和均衡磨损机制 的混合应用,降低了内存资源的消耗,提高整个文件系统的性能。 通过对、国际标准的文件系统相关定义的研究可以看出,提供给外界 的逻辑组织结构是被标准化的,要求以文件的形式存储数据,以层次的结构来组织文 件的。但对文件的物理存储方式和数据组织结构信息没有明确的规定,并且文件系统 的性能主要是由物理存储方式和数据组织结构决定的。因此需要在深刻理解标准规范 的基础之上,研究现有文件系统结构的设计原理,结合智能卡多应用技术发展对文件 系统的需求,设计一个合理的文件系统结构来解决不同的应用需求和存储芯片带来的 移植性难问题。并依据文件系统层次化理论抽象一个分层次的智能卡文件系统结构模 第二章常用文件系统结构的问题分析 型,使文件系统结构的设计可以从总体上把握其结构,以便更好的理解和把握 的功能和结构。 .本章小结 在本章中首先主要介绍了当前比较流行的存储器的物理特性,分析和比较 了 与 之间的差异和擦写特性。同时又分析了几种常用的几种嵌入 式文件系统,如盯和。深入剖析了这几种文件系统的结构和原理,从物理存 储结构、内存数据结构、文件系统挂载、垃圾回收策略四个方面进行研究,并结合智 能卡的物理特性和应用需求进行比较,从而得出这些文件系统结构应用到智上 的局限性和可借鉴之处。最后针对的问题进行分析,并给出自己解决问题的思 路。广东工业大学硕士学位论文 第三章结构模型的构建 . 结构构成要素分析智能卡文件系统嚏? ,以下简称是智能卡的重要 组成部分,它的主要功能是组织、存储和管理在存储器中的所有数据啪,,构造各种文件 结构,实现方便快速地查找文件。它是系统向上层应用提供统一接口的模块, 隐藏底层实现的细节。结构需要根据智能卡的硬件特性进行具体的物理存储结构 和数据组织结构设计,实现文件的按名存取、文件的共享和保护、文件的操作和使用 等文件操作。”。智能卡文件系统结构构成要素主要包括: 物理存储空间的合理分配 主要根据具体选择的芯片确定底层存储空间的分配。一般的存储 器包括代码区和数据区以及一些特殊数据访问的存储区。如何结合物理特点和文件系 统功能的需要分配存储空间是很有必要的,这样可以提高文件系统的性能和存 储空间的利用率。 物理存储结构汹,, 文件的物理存储结构是指文件在上的存取方式,以及与文件逻辑结构之间 的映射关系”。其物理存储结构也决定了由文件的逻辑地址到物理地址的转换效率。在 中的、、文件在创建的时候是大小确定且顺序创建的,即分配的物理 空间是按文件的创建顺序分配的。 逻辑组织结构嘲 文件的逻辑结构,是对用户可见并由用户定义的。但是智能卡的文件系统啪,逻辑结 构是树型结构。文件类型主要包括、、三种。逻辑组织结构呤”引给出了如何将 这些文件组织成树型结构,以及如何选择和操作这些文件的规则。是中的, 它既是个物理概念又是个逻辑概念,是一个软件与硬件的结合体。 的文件系 统逻辑结构采用三层结构九,。是的,仅是一个物理和逻辑结合的平台, 是上的一个逻辑应用,它是一个物理概念。 的文件系统逻辑结 构采用四层结构啪,。但是两者对文件的选择方法和选择规则都是需要按照?的 规定来操作。 卡与 卡的文件结构相比,有一个显著的不同,就是引 入应用文件。剐概念,因为卡是一个多应用平台魁?。的文件系统逻辑结 构如图.所示: 图. 逻辑结构图文件系统主要数据结构即数据组织结构 负责管理的最小单位是逻辑块,对上层应用提供的最小单位是文件九。因此, 广东工业大学硕士学位论文 文件的数据结构对整体文件系统的检索和匹配速度有着重要的意义。文件控制块,的作 用是如何在卡内以文件的形式组织和存储数据,是管理文件的依据。文件的目录 项是通过对文件的属性进行组织和存储,组织文件系统的逻辑结构,实现文件的存储 和管理。目录文件结构是指目录文件的组织形式,关系到文件的存取速度、文件的选 择以及文件逻辑结构的实现。 文件系统操作接口 的主要目标就是向上层应用提供简洁有效的文件系统操作接口,以便提供快 速有效地通过文件管理卡内的数据。根据.的规定,文件系统主要提供创建文 件、选择文件、删除文件、读写文件等操作。在卡中,需要提供对应用的初 始化,应用文件的安全控制以及应用文件的挂载和映射,等操作接口。 存储空间的管理九 文件系统为了实现多应用的管理旧,必须提供动态管理机制,以便文件系统能够根 据具体应用的需要创建和删除文件,这样就会不可避免的产生碎片。随着这些碎片的 增多,卡内的可用空间逐渐会减少。因此,提供垃圾回收机制就可以有效地改变 这些情况,合理的分配存储空间。同时自身有擦写次数的限制,文件系统必须 考虑提供均衡磨损机制,均匀的擦除的各个逻辑块以延长存储器的寿命。智能 卡的硬件环境非常恶劣,经常出现突然掉电或者异常重启等现象。为了保证操作系统 数据的一致性、安全性和稳定性,文件系统也必须提供一定的掉电保护机制,保证突 然掉电的时候不会丢失数据,使正常运行。以上是存储空间管理所需要考 虑的要素。 文件的访问安全控制 在文件系统中存在对多个类型文件的相关操作。当用户对文件进行操作时,为了 能保证的数据正常,必须对各个类型的文件采取访问安全控制,才能有效的为 提供可靠的数据安全和操作,保护卡内应用文件的数据。因此在操作文件之 前, 需要对文件的存取权限进行鉴权。 :一 调用文件系统接口的命令解释 虽然文件系统对上层应用提供了统一的操作接口,但是在智能卡内是通过终端发 送命令来调用接口对文件进行操作的。在命令和文件系统接口之间需要 解释执行。然而和下的命令格式和组织数据的方式不同,因此需要同时支持两 种模式下的命令解释。为了使文件系统能支持多应用功能,就需要对不同行业 第三章结构模型的构建 的应用命令进行解释和执行。因此,命令的解释执行也是文件系统结构设计时 需要考虑的要素之一。 . 层次结构划分 操作系统的层次结构【】的设计方法是于年提出,年将广东工业大学硕士学位论文 的数据读取到中,与设备驱动模块进行通信。 驱动模块。的作用:一是对写入进行负载均衡,提供均衡磨损、 垃圾回收、坏块管理等机制,由此延长的寿命;二是向上层文件系统提供大小 合适如字节的块设备,以便可以在上使用为磁盘存储介质而设计的文 件系统,如。 硬件驱动模块。硬件驱动模块主要进行硬件初始化并负责响应及,然后 就会通过跳转将控制权交给高层。为上层提供底层存储器的操作接口, 并且实现硬件的驱动程序。具体的层次结构如下图.所示: 文件命令解释模块 上? 安全访问控制模块 岔 逻辑文件系统 命 物理文件系统 几 俞 驱动模块 硬件驱动模块 岔 存储器 图?智能卡文件系统层次结构图 . 结构模型 本小节主要是对各层次模块的具体功能进行细化和抽象,详细的研究各个模 块所 包含的功能,并给出具体的#设计#,在此基础之上构建一个适合广泛应用 到智能卡 应用中的文件系统结构模型。 第三章结构模型的构建 .. 相关数据结构 文件结构 文件结构主要有文件头和文件体两部分组成。文件头?”,是通过文件控制 块 来组织数据描述文件对象的各个属性。文件体瑚,主要是存储基本文件的数 据,即文件 的内容。其中文件控制块的数据结构如下所示: :// ;//文件大小 :// 文件描述符 ;//若环形记录文件指向第几条记录是第一条记录 ;//生命状态 ;//当前目录下的和数目;//短文件标示符 ;//安全属性只保存文件下的记录号,通过访问 ;//索引号 ;//当前目录的父目录 ;//下一个逻辑块的地址 ; 文件目录项结构 目录文件,分为主目录文件?和目录文件两种。目录文件中存储的主 要是从文件控制块中抽取出文件标示符和文件分配的起始地址作为搜索匹配 的关键字,以方便和快速的定位文件。和文件在分配的时候是文件大小固定的, 且分配的空间在物理上是连续的存储空间。因此在匹配查找的时候我们可以根据芯片 的大小决定一次性可以读取多少个目录项到中,进行匹配查找算法的检索。 这样可以大大的加快文件的查找和定位效率,在很大程度上提高了文件系统的性能。 目录项的数据结构如下所示: ;//目录项状态 ;//文件名如: 广东工业大学硕士学位论文 ;//文件起始地址 ; 记录目录项的状态,其利用由“”值为“’’的特性可定义为: :表示该目录项未使用; 表示目录; :表示文件; :表示该目录项所指文件已经删除。 在内存中主要是通过文件的目录项信息创建索引,以层或层的树型结构 组织文件的逻辑结构。这样可以依据国际规范的规定,方便快捷的实现文件的定位和 操作。 .. 物理空间分配及其存储结构 的物理空间分配 存储空间一般包括代码区和数据区,以及一些特殊的区域用于文件系统管 理关键数据的存储。如何对物理存储空间的合理分配,也会影响到文件系统的效率和 稳定性。首先借鉴文件系统的物理组织结构,从整体上去分配存储空间。对 存储器具体的物理空间分配如下图.所示: 图 物理存储空间分配图其中的是预留将来的设计和应用。位示图区是用来存储当前系统中逻辑块的 分配和擦除状态。 是芯片中预置的一段程序,主要用于下载用户程序, 程序一般位于中的固定位置。区是系统代码存储区。区时 系统数据存储区。安全备份区用于的掉电保护备份区。 的存储结构 目前实现树型结构的方式有两种:一种是基于链表的树柚,,一种是基于数组的树九。 文件系统的物理存储结构”主要分为三种:连续存储结构、链接存储结构、 索引存储结 构。 文件系统的实现方式决定了访问操作的实现细节,特别是操作的定位效 第三章结构模型的构建 率会影响整个文件系统的效率。由图.可以看出文件系统的逻辑结构是树型结构的, 各个文件下文件数目有很大的差别,且绝大部分文件位于第三层或者第四层。 因此,如何在物理空间中组织物理存储结构选择哪种结构可以有效的在内存中构建 整个文件系统的逻辑结构,实现快速在树型结构中快速所有文件。 本文结合文件系统结构的思想,采用索引结构和顺序结构相结合的数据结构, 在目录文件中以数组的形式组织目录项信息,组织索引信息,构建整个文件系统的逻 辑结构。这样可以使文件系统更简化,更灵活,以提高整个系统的存储效率。 文件系统在个人化阶段需要根据具体的规范标准和应用建立文件系统的逻辑结 构。一般来说,卡内的文件大小及其结构都很固定,在初始化脚本中就会给出各个文 件的大小和类型。文件系统逻辑结构建成之后一般不需要改变。的文件体保存的是 目录项的数据结构类似于数组的结构,且目录项的个数可以确定下来,可以一次性分 配给文件连续的空间来保存目录项的属性信息。为便于查找定位文件,需将下 文件的目录项一次性读入个到中,在中进行匹配算法,这样可以提高 。 文件系统的效率。而文件只有文件头和文件体组成,可以在中增加连接下一 个逻辑块的指针,链接通过垃圾回收分配的下一块不连续的逻辑块。这样可以满足当 动态添加应用时没有连续的逻辑块来分配给文件。文件的分配可以使用不 连续的空间,在一定程度上适应了动态多应用添加和删除文件的特性,且不影响文件 系统的性能。同时也有效的利用了删除文件时产生的碎片,增加了系统的稳定性和兼??。,. 容性。文件的物理存储结构如下图.所示: 图. 文件的物理存储结构图 广东工业大学硕士擘位论文 .. 的相关文件操作 文件系统层次中的逻辑文件系统是向上层提供统一的接口来屏蔽底层物理文件系 统的实现细节。因为文件系统是接受上层的命令调用文件系统的接口来实现 对 文件的管理,所以在逻辑文件系统和物理文件系统层为了实现模块功能的内聚和功能 的划分,在内部定义了一些文件系统内部实现具体功能的接口函数。在中依据 国际标准的规定,需要文件系统提供一些与通用文件系统不同的功能函数接口,如按 路径选择文件等等。本文针对和下的功能需求,向上层提供统一的功能操作函 数接口。对上层应用和终端提供个接口函数,其他的接口函数主要用来 实现文件系统的内部功能。为了综合考虑各种操作情况,在这里我们将.和 中规定的所有接口在下表中列出,相关实现文件系统功能的接口函数如表.所 示: 表. 接口函数表 . 指令名称 文件系统 功能描述 备注 默认选择并初始化相关参数在当前文件的空间内创建文件 . 创建文件 . 私有的文 创建文件 件系统接 创建文件 口 创建文件选择指定的文件 . 选择文件 选择当前目录文件下的子选择当前目录文件的父亲目录 根据路径选择文件 根据短文件标识符选择文件 . 从文件下进行路径选择删除当前目录下指定的文件 缱第三章结构模型的构建 读取二进制文件的内容将二进制数据写入透明文件读取记录文件的每条记 录内容 更新记录文件的每条记录内容 在文件中搜索记录 去激活文件 激活文件 将中的数据写回 . .. 存储空间的管理 的垃圾回收机制 为了适应多应用的特性,必须根据具体的应用,动态的创建和删除文 件。缺点是会产生很多垃圾文件,需要垃圾回收机制去实现存储空间的再分配和回收, 以提高空间的利用率。如何实现存储空间的动态分配和回收,取决于对空闲块的管理 方法。目前主要有两种存储空间的分配和回收方法:位示图”和空闲块链接“”。 为了实现智能卡内数据存储区的动态管理,将智能卡的数据存储区划分为大小相 等的若干逻辑块,以大小的逻辑块为单位。垃圾回收算法也以逻辑块为单位一。 进行回收。以逻辑块的逻辑地址作为地址标识,在创建文件时按逻辑地址的顺序分配 给该文件首块的逻辑地址,作为文件数据的起始地址。该文件的存储空间根据实际存 入的数据量动态分配。 由于智能卡的物理特性和硬件资源的限制,位示图法以“”状态表示相应的块已 分配,“状态表示该块空闲未分配或者待回收。假若是的芯片,整个存储 空间将有个逻辑块,就需要/个字长的位图来标示。可以在文件的 入口前固定分配个字节的空间用来存储位示图的状态,以描述整个存储空间的擦 除状态信息。在系统中定义一个 全局变量。当文件系统需要创建 文件或删除文件的时候从存储位示图的首地址读取个字长的数据,其位示图的状态 就是目前存储空间的分配情况。只有当文件系统删除或者创建文件的时候才会有空间 的分配和回收,这时可以根据./得出已经分配的连续的索引块号 ./,其中为当前可用剩余物理空间的大小。然后到广东工业大学硕士学位论文 相应的/ 将“”改写为“标识此块已分配或已回收。 当剩余空间不够时就会调用垃圾回收算法去查找已经被删除的合适的存储空间分配。 这时会扫描整个连续出现“的个数是否符合当前文件需要的逻辑块数目, 如“”即取一个字节的高位,表示有四个连续的逻辑块可供连续分配,并且在 匹配的时候采用首次适应的策略去搜索匹配。 的均衡磨损机制 在中由于的物理特性:在写入操作之前必须进行块擦除操作; 的擦除次数有限等原因,需要采取一定的均衡磨损措施来延长整个存储器的使 用寿命。然而中能使用均衡磨损的地方主要有以下几个地方: 在创建文件时如何均匀的分配物理空间中的逻辑块。 在垃圾回收时,采取什么策略才能合理的分配脏数据块,以达到均匀擦 除各个脏数据块。 当中存在“冷热”数据块的时候,如何交换“冷热’’数据,使其达到 均衡擦写的效果。 如果在这些问题上能均匀的分配各个逻辑块,那么就能使的寿命因此而延 长,减少芯片的成本。 然而在创建文件的时候有以下特点:首先的逻辑结构比较稳定,文件 的大小和类型一旦初始化之后就很少再变动,就会出现很多的“冷”数据块。 只有当 需要支持多应用技术时,其中的文件才需要动态的创建和删除。但 是从块的擦写频率上来看,分配给文件的逻辑块的擦写频率也并不高。 因此在中采取何种均衡磨损策略才能保证逻辑块的擦