嵌入式Linux文件系統(tǒng)及其存儲機(jī)制分析
嵌入式系統(tǒng)與通用PC機(jī)不同，一般沒有硬盤這樣的存儲設(shè)備而是使用Flash閃存芯片、小型閃存卡等專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的存儲裝置，本文分析了嵌入式系統(tǒng)中常用的存儲設(shè)備及其管理機(jī)制，介紹了常用的基于FLASH的文件系統(tǒng)類型。
1.嵌入式系統(tǒng)存儲設(shè)備及其管理機(jī)制分析
構(gòu)建適用于嵌入式系統(tǒng)的Linux文件系統(tǒng)，必然會涉及到兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一是文件系統(tǒng)類型的選擇，它關(guān)系到文件系統(tǒng)的讀寫性能、尺寸大小;另一個(gè)就是根文件系統(tǒng)內(nèi)容的選擇，它關(guān)系到根文件系統(tǒng)所能提供的功能及尺寸大小。
嵌入式設(shè)備中使用的存儲器是像Flash閃存芯片、小型閃存卡等專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的存儲裝置。Flash是目前嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用的主流存儲器，它的主要特點(diǎn)是按整體/扇區(qū)擦除和按字節(jié)編程，具有低功耗、高密度、小體積等優(yōu)點(diǎn)。目前，F(xiàn)lash分為NOR, NAND兩種類型。
NOR型閃存可以直接讀取芯片內(nèi)儲存的數(shù)據(jù)，因而速度比較快，但是價(jià)格較高。NOR型芯片，地址線與數(shù)據(jù)線分開，所以NOR型芯片可以像SRAM一樣連在數(shù)據(jù)線上，對NOR芯片可以“字”為基本單位操作，因此傳輸效率很高，應(yīng)用程序可以直接在Flash內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中運(yùn)行。它與SRAM的最大不同在于寫操作需要經(jīng)過擦除和寫入兩個(gè)過程。
NAND型閃存芯片共用地址線與數(shù)據(jù)線，內(nèi)部數(shù)據(jù)以塊為單位進(jìn)行存儲，直接將NAND芯片做啟動芯片比較難。NAND閃存是連續(xù)存儲介質(zhì)，適合放大文件。擦除NOR器件時(shí)是以64-128KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行一個(gè)寫入/擦除操作的時(shí)間為5s;擦除NAND器件是以8-32KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。
NAND Rash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應(yīng)地降低了價(jià)格。NOR flash占據(jù)了容量為1―16MB閃存市場的大部分，而NAND flash只是用在8―128MB的產(chǎn)品當(dāng)中，這也說明NOR主要應(yīng)用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND適合于數(shù)據(jù)存儲。
壽命(耐用性)，在NAND閃存中每個(gè)塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個(gè)NAND存儲器塊在給定的時(shí)間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。
所有嵌入式系統(tǒng)的啟動都至少需要使用某種形式的永久性存儲設(shè)備，它們需要合適的驅(qū)動程序，當(dāng)前在嵌入式Linux中有三種常用的塊驅(qū)動程序可以選擇。
● Blkmem驅(qū)動層
Blkmem驅(qū)動是為uclinux專門設(shè)計(jì)的，也是最早的一種塊驅(qū)動程序之一，現(xiàn)在仍然有很多嵌入式Linux操作系統(tǒng)選用它作為塊驅(qū)動程，尤其是在uClinux中。它相對來說是最簡單的，而且只支持建立在NOR型Flash和RAM中的根文件系統(tǒng)。使用Blkmem驅(qū)動，建立Flash分區(qū)配置比較困難，這種驅(qū)動程序?yàn)镕lash提供了一些基本擦除/寫操作。
● RAMdisk驅(qū)動層
RAMdisk驅(qū)動層通常應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)Linux中無盤工作站的啟動，對Flash存儲器并不提供任何的直接支持， RAM disk就是在開機(jī)時(shí)，把一部分的內(nèi)存虛擬成塊設(shè)備，并且把之前所準(zhǔn)備好的檔案系統(tǒng)映像解壓縮到該RAM disk環(huán)境中。當(dāng)在Flash中放置一個(gè)壓縮的文件系統(tǒng)，可以將文件系統(tǒng)解壓到RAM，使用RAM disk驅(qū)動層支持一個(gè)保持在RAM中的文件系統(tǒng)。
● MTD驅(qū)動層
為了盡可能避免針對不同的技術(shù)使用不同的工具，以及為不同的的技術(shù)提供共同的能力，Linux內(nèi)核納入了MTD子系統(tǒng)(memory Technology Device)。它提供了一致且統(tǒng)一的接口，讓底層的MTD芯片驅(qū)動程序無縫地與較高層接口組合在一起。
JFFS2, Cramfs, YAFFS等文件系統(tǒng)都可以被安裝成MTD塊設(shè)備。MTD驅(qū)動也可以為那些支持CFI接口的NOR型Flash提供支持。雖然MTD可以建立在RAM上，但它是專為基于Flash的設(shè)備而設(shè)計(jì)的。MTD包含特定Flash芯片的驅(qū)動程序，開發(fā)者要選擇適合自己系統(tǒng)的Flash芯片驅(qū)動。Flash芯片驅(qū)動向上層提供讀、寫、擦除等基本的操作，MTD對這些操作進(jìn)行封裝后向用戶層提供MTD char和MTD block類型的設(shè)備。
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MTD char類型的設(shè)備包括/dev/mtd0, /dev/mtdl等，它們提供對Flash原始字符的訪問。MTD block類型的設(shè)備包括/dev/mtdblock0,/dev/mtdblock1等，MTD block設(shè)備是將Flash模擬成塊設(shè)備，這樣可以在這些模擬的塊設(shè)備上創(chuàng)建像Cramfs, JFFS2等格式的文件系統(tǒng)。
MTD驅(qū)動層也支持在一塊Flash上建立多個(gè)Flash分區(qū)，每一個(gè)分區(qū)作為了一個(gè)MTD block設(shè)備，可以把系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)等分配到不同的分區(qū)上，同時(shí)可以在不同的分區(qū)采用不用的文件系統(tǒng)格式。這一點(diǎn)非常重要，正是由于這一點(diǎn)才為嵌入式系統(tǒng)多文件系統(tǒng)的建立提供了靈活性。
2. 基于Flash的文件系統(tǒng)
鑒于Flash存儲介質(zhì)的讀寫特點(diǎn)，傳統(tǒng)的Linux文件系統(tǒng)己經(jīng)不適合應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，像Ext2fs文件系統(tǒng)是為像IDE那樣的塊設(shè)備設(shè)計(jì)的，這些設(shè)備的邏輯塊是512字節(jié)、1024字節(jié)等大小，沒有提供很好的扇區(qū)擦寫支持，不支持損耗平衡，沒有掉電保護(hù)，也沒有特別完美的扇區(qū)管理，這不太適合于扇區(qū)大小因設(shè)備類型而劃分的閃存設(shè)備。基于這樣的原因，產(chǎn)生了很多專為Flash設(shè)備而設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)，常見的專用于閃存設(shè)備的文件系統(tǒng)如下：
● Romfs
傳統(tǒng)型的Romfs文件系統(tǒng)是最常使用的一種文件系統(tǒng)，它是一種簡單的、緊湊的、只讀的文件系統(tǒng)，不支持動態(tài)擦寫保存;它按順序存放所有的文件數(shù)據(jù)，所以這種文件系統(tǒng)格式支持應(yīng)用程序以XIP方式運(yùn)行，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以獲得可觀的RAM節(jié)省空間。uClinux系統(tǒng)通常采用Romfs文件系統(tǒng)。
● Cramfs
Cramfs是Linux的創(chuàng)始人Linus Torvalds開發(fā)的一種可壓縮只讀文件系統(tǒng)在Cramfs文件系統(tǒng)中，每一頁被單獨(dú)壓縮，可以隨機(jī)頁訪問，其壓縮比高達(dá)2:1,為嵌入式系統(tǒng)節(jié)省大量的Flash存儲空間。Cramfs文件系統(tǒng)以壓縮方式存儲，在運(yùn)行時(shí)解壓縮，所以不支持應(yīng)用程序以XIP方式運(yùn)行，所有的應(yīng)用程序要求被拷到RAM里去運(yùn)行，但這并不代表比Ramfs需求的RAM 空間要大一點(diǎn)，因?yàn)镃ramfs是采用分頁壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時(shí)，不會一下子就耗用過多的內(nèi)存空間，只針對目前實(shí)際讀取的部分分配內(nèi)存，尚沒有讀取的部分不分配內(nèi)存空間，當(dāng)我們讀取的檔案不在內(nèi)存時(shí)， Cramfs文件系統(tǒng)自動計(jì)算壓縮后的資料所存的位置，再即時(shí)解壓縮到RAM中。
另外，它的速度快，效率高，其只讀的特點(diǎn)有利于保護(hù)文件系統(tǒng)免受破壞，提高了系統(tǒng)的可靠性;但是它的只讀屬性同時(shí)又是它的一大缺陷，使得用戶無法對其內(nèi)容對進(jìn)擴(kuò)充。Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在別的文件系統(tǒng)里，使用loopback設(shè)備可以把它安裝別的文件系統(tǒng)里。使用mkcramfs工具可以創(chuàng)建Cramfs映像。
● Ramfs/Tmpfs
Ramfs也是Linus Torvalds開發(fā)的，Ramfs文件系統(tǒng)把所有的文件都放在RAM里運(yùn)行，通常是Flash系統(tǒng)用來存儲一些臨時(shí)性或經(jīng)常要修改的數(shù)據(jù)，相對于ramdisk來說，Ramfs的大小可以隨著所含文件內(nèi)容大小變化，不像ramdisk的大小是固定的。Tmpfs是基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)，因?yàn)閠mpfs駐留在RAM 中，所以寫/讀操作發(fā)生在RAM 中。tmpfs文件系統(tǒng)大小可隨所含文件內(nèi)容大小變化，使得能夠最理想地使用內(nèi)存;tmpfs駐留在RAM，所以讀和寫幾乎都是瞬時(shí)的。tmpfs的一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)重新引導(dǎo)時(shí)會丟失所有數(shù)據(jù)。
● JFFS2
JFFS2是RedHat公司基于JFFS開發(fā)的閃存文件系統(tǒng)，最初是針對RedHat公司的嵌入式產(chǎn)品eCos開發(fā)的嵌入式文件系統(tǒng)，所以JFFS2也可以用在Linux,uCLinux中。JFFS文件系統(tǒng)最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的內(nèi)核為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的文件系統(tǒng)。JFFS2是一個(gè)可讀寫的、壓縮的、日志型文件系統(tǒng)，并提供了崩潰/掉電安全保護(hù)，克服了JFFS的一些缺點(diǎn):使用了基于哈希表的日志節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，大大加快了對節(jié)點(diǎn)的操作速度;支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮;提供了“寫平衡”支持;支持多種節(jié)點(diǎn)類型;提高了對閃存的利用率，降低了內(nèi)存的消耗。這些特點(diǎn)使JFFS2文件系統(tǒng)成為目前Flash設(shè)備上最流行的文件系統(tǒng)格式，它的缺點(diǎn)就是當(dāng)文件系統(tǒng)已滿或接近滿時(shí)，JFFS2運(yùn)行會變慢，這主要是因?yàn)樗槠占膯栴}。
● YAFFS
YAFFS/YAFFS2是一種和JFFSx類似的閃存文件系統(tǒng)，它是專為嵌入式系統(tǒng)使用NAND型閃存而設(shè)計(jì)的一種日志型文件系統(tǒng)。和JFFS2相比它減少了一些功能，所以速度更快，而且對內(nèi)存的占用比較小。此外，YAFFS自帶NAND芯片的驅(qū)動，并且為嵌入式系統(tǒng)提供了直接訪問文件系統(tǒng)的API，用戶可以不使用Linux中的MTD與VFS，直接對文件系統(tǒng)操作。YAFFS2支持大頁面的NAND設(shè)備，并且對大頁面的NAND設(shè)備做了優(yōu)化。JFFS2在NAND閃存上表現(xiàn)并不穩(wěn)定，更適合于NOR閃存，所以相對大容量的NAND閃存，YAFFS是更好的選擇。
在具體的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可根據(jù)不同目錄存放的內(nèi)容不同以及存放的文件屬性，確定使用何種文件系統(tǒng)。
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