收稿日期：２０２０⁃０３⁃３０；修回日期：２０２０⁃０６⁃０８㊀㊀基金项目：广东省气象科技计划资助项目（２０１４ＤＴＺＸ１３）
作者简介：周钦强（１９７９⁃），男，山东沂源人，高级工程师，硕士，主要研究方向为气象探测技术研发（４１４０９８５８＠ｑｑ．ｃｏｍ）；刘艳中（１９８１⁃），男，河北献县人，高级工程师，硕士，主要研究方向为气象探测技术研发；敖振浪（１９６２⁃），男，广东阳江人，正研高工，学士，主要研究方向为气象探测技术与信息处理．
自动气象站ＮＡＮＤｆｌａｓｈ扩展存储快速读写算法设计∗ 周钦强，刘艳中，敖振浪
摘㊀要：自动气象站数据机内大容量存储与高速实时准确读写是气象观测数据传输应用的最前端关键基础环节㊂针
对基于ＳＴＭ３２ＦＳＭＣ管理外部可扩展存储ＮＡＮＤｆｌａｓｈ的机内硬件设计，分析Ｋ９ＬＢＧ０８Ｕ０Ｍ闪存片内物理结构，提
出以自动气象站观测数据的时间偏移量为唯一主键，建立观测数据与闪存物理地址的一一映射关系，实现观测数据与对应机内存储物理地址的快速映射寻址㊂在此基础上结合ＮＡＮＤｆｌａｓｈ存储特性，生成自动气象站观测数据快速读写算法㊂在全省约３０００个自动气象站组网观测业务时应用表明，其满足了气象数据从观测到预报一分钟到桌面的高质量业务发展需求㊂
关键词：自动气象站；闪存；寻址；读写；设计
０㊀引言
自动气象站长期在野外运行，其观测数据连续性难免会受到通信异常或扰动而中断，因此自动气象站在硬件构架中均含有机内存储设计，使得采集器能够存储一定历史时段内的观测数据，供外部补调以满足观测数据性连续性业务要求㊂新型自动气象（气候）站功能规格书要求主采集器存储１小时的采样瞬时值㊁７天的瞬时气象（分钟）值㊁１月的正点气象要素值，以及相应的导出量和统计量等；数据存储可以使用循环式存储器结构，即允许最新的数据覆盖旧数据［１］㊂随着气象服务的精细化和短时临近业务发展需求，尤其是广东省全国率先实现气象观测数据１分钟到预报员桌面业务要求，对于自动气象站机内存储大容量㊁高速实时性与准确性等整机性能提出了更高的软硬件设计要求，快速读写㊁缺测自动补调输出成为全省组网自动气象站数据从观测到预报应用１分钟内完成的核心关键基础技术环节，尤其是观测数据受到通信异常或扰动而中断时，第一时间快速准确补调缺失资料成为气象预报预警业务的重要数据支撑㊂
闪存（ｆｌａｓｈｍｅｍｏｒｙ）为非易失性存储设备（ｎｏｎ⁃ｖｏｌａｔｉｌｅｍｅｍｏｒｙｄｅｖｉｃｅ），文献［２，３］对ｆｌａｓｈ存储特点作了详尽的阐述，得益于ｆｌａｓｈ存储芯片所具有的非易失㊁低功耗㊁存储密度高等优点，基于ＮＡＮＤｆｌａｓｈ芯片的存储系统近年来在嵌入式环境中得到了广泛应用［４ ７］㊂基于广东省ＤＺＺ１⁃２Ｎ新型自动气象站ＳＴＭ３２ＮＡＮＤｆｌａｓｈ机内扩展三星Ｋ９ＬＢＧ０８Ｕ０Ｍ闪存芯片的硬件设计，对自动气象站配置参数㊁１个月的全要素采样数据㊁１年的分钟数据和正点气象要素值进行存储㊂本文以分钟数据为例提出自动气象站全要素分钟数据机内扩展存储的快速读写算法，在满足新型自动气象（气候）站功能规格书要求的基础上改进读写算法，优化存储性能，经全省３０００个自动气象站组网业务的应用，证明地面气象观测数据快速读写算法的快速实时性与准确性㊂
１㊀ＮＡＮＤｆｌａｓｈ简介
ＮＡＮＤｆｌａｓｈ具有快速访问㊁低功耗㊁抗震性㊁尺寸小㊁重量轻等特性，并且稳定性良好，即使在系统电源关闭的情况下仍可保存数据㊂随着技术的发展，其价格降低且容量增大，这些使得ＮＡＮＤｆｌａｓｈ逐渐成为嵌入式系统的一个独立部件，系统存储的工业标准［８］㊂
１．１㊀Ｋ９ＬＢＧ０８Ｕ０Ｍ片内结构
ＮＡＮＤ型闪存由擦除块（ｂｌｏｃｋ）组成，每个块包含一定数量的页（ｐａｇｅ）㊂由图１［９
］可见Ｋ９ＬＢＧ０８Ｕ０Ｍ芯片共包含８１９２块，即ＮＡＮＤ＿ＤＥＶ＿ＳＩＺＥ＝０ｘ２０００；每块包含１２８页，即ＮＡＮＤ＿ＢＬＯＣＫ＿ＳＩＺＥ＝０ｘ００８０；每页可编程字节４ＫＢ，即ＮＡＮＤ＿ＰＡＧＥ＿ＳＩＺＥ＝０ｘ１０００㊂Ｋ９ＬＢＧ０８Ｕ０Ｍ芯片存储单元结构如图２所示，内部按照以下行列进行排列㊂
行：１２８页ˑ８１９２块＝１０４８５７６行＝２２０，地址范围０ｘ００ ０ｘＦＦＦＦＦ；
列：（４ＫＢ＋１２８Ｂｙｔｅ）＝（２１２＋１２８）Ｂｙｔｅ，地址范围０ｘ００ ０ｘ１０８０，其中１２８列的备用空间从４０９６列开始，一直到４２２３列㊂
１．２㊀ＮＡＤＮｆｌａｓｈ读写特性
ＮＡＮＤｆｌａｓｈ物理层驱动主要涉及到闪存芯片初始化（ＩＤ以及相关属性信息的读取）㊁擦除和数据读写，其中写操作叫做编程（ｐｒｏｇｒａｍ），主要读写特性如下［２，３］：
ａ）读和写通常以页为单位执行，而擦除操作则以块为单位来执行㊂
ｂ）ＮＡＮＤ型芯片不支持本地更新操作，无法直接对数据页进行覆盖写，必须先擦除该数据页所在的块，亦即在对某个页进行写操作前，必须先对该页所在块进行擦除操作㊂
ｃ）不允许随机写，即在擦除块中的页只能从低地址向高地址顺序进行㊂
２㊀算法设计
关于ＮＡＮＤｆｌａｓｈ快速读写及性能提升的相关研究多基于大容量文件存储系统和数据库［１０ １４］，而对于ＮＡＮＤｆｌａｓｈ存储芯片安全高效读写管理的研究相对较少㊂例如文献［１５］分析并实现了一种利用多片编程来提高Ｎａｎｄｆｌａｓｈ擦／写性能的方案；文献［１６］设计一种由高密度ＮＡＮＤｆｌａｓｈ存储阵列㊁大规模ＦＰＧＡ和高性能ＤＳＰ构成的高速存储模块，通过ＦＰＧＡ与ＤＳＰ对数据存储过程的联合控制，实现海量数据的超高速存储㊂本章利用自动气象站观测原始数据时间属性的唯一性，结合ＮＡＮＤｆｌａｓｈ物理结构及存储特性，提出数据指针快速寻址及读写算法，进而提升ＮＡＮＤｆｌａｓｈ芯片底层驱动快速读写性能㊂
电动抽气机２．１㊀㊀数据指针寻址算法
u型池自动气象站具有野外无人值守全天候实时自动观测的特点，各气象要素传感器实时自动采集数据，经采样算法优化后计算采样数据㊁分钟数据以及相应的导出量和统计量㊂如何准确快速获取每份数据的存储物理地址成为自动气象站提升原始数据读写性能的关键前提，亦即原始数据指针快速寻址设计问题㊂不管是采样数据还是分钟数据，它们唯一身份辨识标签即为日期时间，以此为每一份原始数据的识别主键，并与闪存片内存储物理地址建立关联规则，便可快速获取任意时间气象观测数据的对应存储物理地址，即为自动气象站原始数据指针快速寻址算法的核心基础㊂
隔离桩
闪存片内存储物理地址包含块基偏移地址㊁块内偏移地址和页内偏移地址，以结构体定义为
㊃９９１㊃㊀第３７卷增刊周钦强，等：自动气象站ＮＡＮＤｆｌａｓｈ扩展存储快速读写算法设计
㊀㊀㊀
ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ
｛
㊀㊀ｕｉｎｔ３２＿ｔｂｌｏｃｋ；㊀／／块基偏移
㊀㊀ｕｉｎｔ３２＿ｔｐａｇｅ；㊀／／块内页偏移
㊀㊀ｕｉｎｔ３２＿ｔｂｙｔｅ；㊀／／页内偏移
｝ＮＡＮＤ＿ＡＤＤＲＥＳＳＴｙｐｅＤｅｆ；
自动气象站一旦配置业务运行，其原始输出的分钟数据长度ｍｓｇＬｅｎ即为定常，根据Ｋ９ＬＢＧ０８Ｕ０Ｍ块内结构，则可获取每一分
钟数据在每块内存储占用页数ｐａｇｅｓ：糖浆罐
ｐａｇｅｓ＝（（ｍｓｇＬｅｎ％ＮＡＮＤ＿ＰＡＧＥ＿ＳＩＺＥ）＞０）？
（ｍｓｇＬｅｎ／ＮＡＮＤ＿ＰＡＧＥ＿ＳＩＺＥ＋１）ʒ（ｍｓｇＬｅｎ／ＮＡＮＤ＿ＰＡＧＥ＿ＳＩＺＥ）（１）其中ＮＡＮＤ＿ＰＡＧＥ＿ＳＩＺＥ见２．１节所述㊂
将分钟数据的日期时间（ＭＭｄｄｈｈｍｍ）统一计算成分钟（月内天数以３１天计），则年内每月每天每一分钟数据对应的的唯一时间偏移量为ｄｔ＿ｏｆｆｓｅｔ：
ｄｔ＿ｏｆｆｓｅｔ＝（ＭＭ－１）ˑ３１ˑ２４ˑ６０＋（ｄｄ－１）ˑ２４ˑ６０＋（ｈｈ－１）ˑ６０＋ｍｍ
（２）根据时间偏移量ｄｔ＿ｏｆｆｓｅｔ，建立与闪存存储数据指针寻址规则㊂定义ＮＡＮＤ＿ＡＤＤＲＥＳＳＴｙｐｅＤｅｆａｄｄｒｅｓｓ为闪存内分钟数据指针，分钟数据在闪存片内存储的起始块地址为ＭＳＧ＿ＳＴＡＲＴＢＬＫ，则
ａｄｄｒｅｓｓ．ｂｙｔｅ＝０ｘ００
ａｄｄｒｅｓｓ．ｐａｇｅ＝ｄｔ＿ｏｆｆｓｅｔ％ＮＡＮＤ＿ＢＬＯＣＫ＿ＳＩＺＥ
ａｄｄｒｅｓｓ．ｂｌｏｃｋ＝ｄｔ＿ｏｆｆｓｅｔˑｐａｇｅｓ／ＮＡＮＤ＿ＢＬＯＣＫ＿ＳＩＺＥ
＋ＭＳＧ＿ＳＴＡＲＴＢＬＫ（３）将式（１）（２）代入式（３）即可计算ａｄｄｒｅｓｓ，由此，建立起分钟数据时间与ＮＡＮＤｆｌａｓｈ物理地址之间的映射关系，即可计算每一份分钟数据的数据指针，程序流程如图３所示㊂基于此寻址算法可以直接获取全年任意一分钟自动气象站数据在闪存片内的数据指针，避免采用查询㊁遍历等耗时低效方法，从而大大提升自动气象站原始数据的扩展片外存储读写效率㊂
由ＮＡＮＤｆｌａｓｈ读写特性可知，闪存的读操作和编程操作以页为单位，根据上述数据指针寻址算法一旦确定每一份数据存储物理地址ａｄｄｒｅｓｓ，自动气象站连续原始数据便可按照时间顺序在闪存片内逐ｐａｇｅｓ顺序存储，依此类推，直到块内ＮＡＮＤ＿ＰＡＧＥ＿ＳＩＺＥ页编程操作结束，块空间溢出后跳转到下一块，逐块顺序编程，地址指针ａｄｄｒｅｓｓ自动每页每块顺序跳转寻址，数据指针片内寻址增益算法流程如图４所示㊂
２．２㊀读写协议栈
基于前述数据寻址算法，在设计自动气象站原始数据机内扩展存储读写算法时，还需检验ＮＡＮＤｆｌａｓｈ数据写入读出的一致性，对每一份原始观测数据添加读写协议栈，包括日期时间㊁长度㊁数据校验和㊁存储物理地址等，以分钟数据协议栈为例，如图５所示㊂其中：ｙｙＭＭｄｄｈｈｍｍ为分钟数据日期时间，年月日时分，占５Ｂｙｔｅ；ｌｅｎｔｈＬｌｅｎｔｈＨ为分钟数据长度，占２
Ｂｙｔｅ，低位在前，高位在后；ｓｕｍＬ０ｓｕｍＬ１ｓｕｍＨ０ｓｕｍＨ１为分钟数据校验和，为观测数据字节累加值，占４Ｂｙｔｅ，低位在前，高位在后；ｂｌｋＬｂｌｋＨｐａｇｅＬｐａｇｅＨｂｙｔｅＬｂｙｔｅＨ为分钟数据在闪存片内的存储物理地址，其中ｂｌｋＬｂｌｋＨ为块地址，ｐａｇｅＬｐａｇｅＨ为块内页地址，ｂｙｔｅＬｂｙｔｅＨ为页内地址，分别占用２Ｂｙｔｅ，低位在前，高位在后；ｂａｋ０ｂａｋ１ｂａｋ２为备用索引地址，占用３Ｂｙｔｅ，低位在前，高位在后㊂
２．３㊀数据读写算法
基于２．１节所述自动气象站分钟数据存储寻址算法，其分钟数据存储读写算法尤其是写操作还必须考虑２．２节所述ＮＡＮＤｆｌａｓｈ读写特性，即在对某个页进行写操作前，必须先对该页所在块进行擦除操作㊂自动气象站分钟数据顺序写入闪存过程中跨块时需要首先对下一块进行擦除操作，其中一个关键核心问题为分钟数据是否存在临界存储情形，即某份分钟数据因数据指针寻址块内空间不足，而导致部分分钟数据被存储下一个相邻块内，其判别方法如下：
ａ）若占用页数ｐａｇｅｓ可被块容量ＮＡＮＤ＿ＢＬＯＣＫ＿ＳＩＺＥ整除，则
不存在某份分钟数据跨块临界存储情形，直接根据数据指针中的ａｄｄｒｅｓｓ．ｐａｇｅ是否等于０即可判别是否跨块擦除操作㊂
ｂ）若占用页数ｐａｇｅｓ不被块容量ＮＡＮＤ＿ＢＬＯＣＫ＿ＳＩＺＥ整除，则存在某份分钟数据跨块临界存储，首先将数据指针寻址块内剩余页数写满后，将该分钟数据剩余部分写入下一个相邻块之前必须进行擦除操作㊂
综上所述，自动气象站分钟数据机内ＮＡＮＤｆｌａｓｈ扩展存储写入算法程序流程如图６所示㊂
由３．１节所述数据指针片内寻址增益算法，分钟数据不管是否跨块临界存储均可直接按块逐页顺序读取，根据分钟数据读写协议栈校验写入前后的数据一致性即可，程序流程如图７所示㊂这也正是ＮＡＮＤｆｌａｓｈ读写操作代价不对称性的体现㊂
３㊀实现与应用
所提出的自动气象站数据机内ＮＡＮＤｆｌａｓｈ扩展存储数据读写算法在广东省气象计算机应用开发研究所研制的ＤＺＺ１⁃２Ｎ型自动气象站中开发实现㊂ＤＺＺ１⁃２Ｎ新型自动气象站主采集器采用ＳＴＭ３２Ｆ２０７ＶＧ＿１４４处理器，采用工作频率为１２０ＭＨｚ的ＡＲＭ®ＣｏｒｔｅｘＴＭ⁃Ｍ３３２位ＲＩＳＣ内核，包含有程序ｆｌａｓｈ㊁内存ＲＡＭ㊁Ｗａｔｃｈ⁃ｄｏｇ以及Ａ／Ｄ转换芯片㊂处理器通过ＦＳＭＣ管理外部可扩展存储ＮＡＮＤｆｌａｓｈ芯片三星Ｋ９ＬＢＧ０８Ｕ０Ｍ，ＦＳＭＣ起到桥梁作用，既能够进行信号类型的转换，又能够进行信号宽度和时序的调整，屏蔽掉不同存储类型的差异，使之对ＳＴＭ３２内核而言没有区别㊂ＦＳＭＣ的
㊃００２㊃计算机应用研究２０２０年㊀
一端通过内部高速总线ＡＨＢ连接到内核Ｃｏｒｔｅｘ⁃Ｍ３，另一端则是面
向扩展存储器的外部总线㊂内核对外部存储器的访问信号发送到ＡＨＢ总线后，经过ＦＳＭＣ转换为符合外部存储器通信规约的信号，送到外部存储器的相应引脚，实现内核与外部存储器之间的数据交互［１７］㊂ＤＺＺ１⁃２Ｎ型自动气象站数据机内扩展ＮＡＮＤｆｌａｓｈ存储硬件设计原理如图８所示
㊂
ＤＺＺ１⁃２Ｎ型自动气象站在全省近３０００个区域自动气象站㊁８６个国家地面气象站以及生态气象站的安装部署业务应用，野外无人值守运行，自动气象站数据采集器机内扩展存储读写快速稳定㊁数据准确可靠，很好地满足了观测自动化业务高质量发展要求㊂
dic系统４ 结束语
影响ＮＡＮＤｆｌａｓｈ存储访问性能的关键技术不仅仅地址映射，还包括垃圾回收机制㊁磨损均衡策略等，文献［１８ ２０］中均作了详细阐述
蓝牙GPS
㊂为了更清晰说明所提出的自动气象站原始数据机内扩展存储快速读写算法的设计思路，自动气象站ＮＡＮＤｆｌａｓｈ机内扩展㊀㊀
存储算法中所涉及的磨损均衡策略未在文中予以体现㊂重点针对ＳＴＭ３２ＦＳＭＣ管理外部可扩展存储ＮＡＮＤｆｌａｓｈＫ９ＬＢＧ０８Ｕ０Ｍ闪存机内硬件设计，提出以自动气象站观测数据的唯一时间偏移量为主键，建立观测数据与闪存物理地址的一一映射关系，实现观测数据与对应机内存储物理地址的数据指针快速寻址，从而避免观测数据在存储寻址上耗费大量时间㊂在此基础上结合ＮＡＮＤｆｌａｓｈ存储特性，生成自动气象站观测数据快速读写算法，并在ＤＺＺ１⁃２Ｎ型自动气象站系统开发实现，经全省约３０００个自动气象站组网观测业务应用，观测数据存储读写实时高速㊁准确稳定，满足气象数据从观测到预报１分钟到桌面的高质量业务发展需求㊂
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