嵌入式Linux的文件系统及其存储机制分析

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嵌入式系统与通用PC机不同，一般没有硬盘这样的存储设备而是使用Flash闪存芯片、小型闪存卡等专为嵌入式系统设计的存储装置，本文分析了嵌入式系统中常用的存储设备及其管理机制，介绍了常用的基于FLASH的文件系统类型。
　　1．嵌入式系统存储设备及其管理机制分析

　　构建适用于嵌入式系统的Linux文件系统，必然会涉及到两个关键点，一是文件系统类型的选择，它关系到文件系统的读写性能、尺寸大小;另一个就是根文件系统内容的选择，它关系到根文件系统所能提供的功能及尺寸大小。

　　嵌入式设备中使用的存储器是像Flash闪存芯片、小型闪存卡等专为嵌入式系统设计的存储装置。Flash是目前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器，它的主要特点是按整体/扇区擦除和按字节编程，具有低功耗、高密度、小体积等优点。目前，Flash分为NOR, NAND两种类型。

　　NOR型闪存可以直接读取芯片内储存的数据，因而速度比较快，但是价格较高。NOR型芯片，地址线与数据线分开，所以NOR型芯片可以像SRAM一样连在数据线上，对NOR芯片可以“字”为基本单位操作，因此传输效率很高，应用程序可以直接在Flash内运行，不必再把代码读到系统RAM中运行。它与SRAM的最大不同在于写操作需要经过擦除和写入两个过程。

　　NAND型闪存芯片共用地址线与数据线，内部数据以块为单位进行存储，直接将NAND芯片做启动芯片比较难。NAND闪存是连续存储介质，适合放大文件。擦除NOR器件时是以64-128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s；擦除NAND器件是以8-32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。

　　寿命(耐用性)，在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

　　所有嵌入式系统的启动都至少需要使用某种形式的永久性存储设备，它们需要合适的驱动程序，当前在嵌入式Linux中有三种常用的块驱动程序可以选择。

　　● Blkmem驱动层

　　Blkmem驱动是为uclinux专门设计的，也是最早的一种块驱动程序之一，现在仍然有很多嵌入式Linux操作系统选用它作为块驱动程，尤其是在uClinux中。它相对来说是最简单的，而且只支持建立在NOR型Flash和RAM中的根文件系统。使用Blkmem驱动，建立Flash分区配置比较困难，这种驱动程序为Flash提供了一些基本擦除/写操作。

　　● RAMdisk驱动层

　　RAMdisk驱动层通常应用在标准Linux中无盘工作站的启动，对Flash存储器并不提供任何的直接支持， RAM disk就是在开机时，把一部分的内存虚拟成块设备，并且把之前所准备好的档案系统映像解压缩到该RAM disk环境中。当在Flash中放置一个压缩的文件系统，可以将文件系统解压到RAM，使用RAM disk驱动层支持一个保持在RAM中的文件系统。

　　● MTD驱动层

　　为了尽可能避免针对不同的技术使用不同的工具，以及为不同的的技术提供共同的能力，Linux内核纳入了MTD子系统(memory Technology Device)。它提供了一致且统一的接口，让底层的MTD芯片驱动程序无缝地与较高层接口组合在一起。

　　JFFS2, Cramfs, YAFFS等文件系统都可以被安装成MTD块设备。MTD驱动也可以为那些支持CFI接口的NOR型Flash提供支持。虽然MTD可以建立在RAM上，但它是专为基于Flash的设备而设计的。MTD包含特定Flash芯片的驱动程序，开发者要选择适合自己系统的Flash芯片驱动。Flash芯片驱动向上层提供读、写、擦除等基本的操作，MTD对这些操作进行封装后向用户层提供MTD char和MTD block类型的设备。

　　MTD char类型的设备包括/dev/mtd0, /dev/mtdl等，它们提供对Flash原始字符的访问。MTD block类型的设备包括/dev/mtdblock0,/dev/mtdblock1等，MTD block设备是将Flash模拟成块设备，这样可以在这些模拟的块设备上创建像Cramfs, JFFS2等格式的文件系统。

　　MTD驱动层也支持在一块Flash上建立多个Flash分区，每一个分区作为了一个MTD block设备，可以把系统软件和数据等分配到不同的分区上，同时可以在不同的分区采用不用的文件系统格式。这一点非常重要，正是由于这一点才为嵌入式系统多文件系统的建立提供了灵活性。

2． 基于Flash的文件系统

　　鉴于Flash存储介质的读写特点，传统的Linux文件系统己经不适合应用在嵌入式系统中，像Ext2fs文件系统是为像IDE那样的块设备设计的，这些设备的逻辑块是512字节、1024字节等大小，没有提供很好的扇区
擦写支持，不支持损耗平衡，没有掉电保护，也没有特别完美的扇区管理，这不太适合于扇区大小因设备类型而划分的闪存设备。基于这样的原因，产生了很多专为Flash设备而设计的文件系统，常见的专用于闪存设备的文件系统如下：

　　● Romfs

　　传统型的Romfs文件系统是最常使用的一种文件系统，它是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统，不支持动态擦写保存;它按顺序存放所有的文件数据，所以这种文件系统格式支持应用程序以XIP方式运行，在系统运行时，可以获得可观的RAM节省空间。uClinux系统通常采用Romfs文件系统。

　　● Cramfs

　　Cramfs是Linux的创始人Linus Torvalds开发的一种可压缩只读文件系统在Cramfs文件系统中，每一页被单独压缩，可以随机页访问，其压缩比高达2:1,为嵌入式系统节省大量的Flash存储空间。Cramfs文件系统以压缩方式存储，在运行时解压缩，所以不支持应用程序以XIP方式运行，所有的应用程序要求被拷到RAM里去运行，但这并不代表比Ramfs需求的RAM 空间要大一点，因为Cramfs是采用分页压缩的方式存放档案，在读取档案时，不会一下子就耗用过多的内存空间，只针对目前实际读取的部分分配内存，尚没有读取的部分不分配内存空间，当我们读取的档案不在内存时， Cramfs文件系统自动计算压缩后的资料所存的位置，再即时解压缩到RAM中。

　　另外，它的速度快，效率高，其只读的特点有利于保护文件系统免受破坏，提高了系统的可靠性;但是它的只读属性同时又是它的一大缺陷，使得用户无法对其内容对进扩充。Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在别的文件系统里，使用loopback设备可以把它安装别的文件系统里。使用mkcramfs工具可以创建Cramfs映像。

　　● Ramfs/Tmpfs

　　Ramfs也是Linus Torvalds开发的，Ramfs文件系统把所有的文件都放在RAM里运行，通常是Flash系统用来存储一些临时性或经常要修改的数据，相对于ramdisk来说，Ramfs的大小可以随着所含文件内容大小变化，不像ramdisk的大小是固定的。Tmpfs是基于内存的文件系统，因为tmpfs驻留在RAM 中，所以写/读操作发生在RAM 中。tmpfs文件系统大小可随所含文件内容大小变化，使得能够最理想地使用内存;tmpfs驻留在RAM，所以读和写几乎都是瞬时的。tmpfs的一个缺点是当系统重新引导时会丢失所有数据。

　　● JFFS2

　　JFFS2是RedHat公司基于JFFS开发的闪存文件系统，最初是针对RedHat公司的嵌入式产品eCos开发的嵌入式文件系统，所以JFFS2也可以用在Linux,uCLinux中。JFFS文件系统最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的内核为嵌入式系统开发的文件系统。JFFS2是一个可读写的、压缩的、日志型文件系统，并提供了崩溃/掉电安全保护，克服了JFFS的一些缺点:使用了基于哈希表的日志节点结构，大大加快了对节点的操作速度;支持数据压缩；提供了“写平衡”支持;支持多种节点类型；提高了对闪存的利用率，降低了内存的消耗。这些特点使JFFS2文件系统成为目前Flash设备上最流行的文件系统格式，它的缺点就是当文件系统已满或接近满时，JFFS2运行会变慢，这主要是因为碎片收集的问题。

　　● YAFFS

　　YAFFS/YAFFS2是一种和JFFSx类似的闪存文件系统，它是专为嵌入式系统使用NAND型闪存而设计的一种日志型文件系统。和JFFS2相比它减少了一些功能，所以速度更快，而且对内存的占用比较小。此外，YAFFS自带NAND芯片的驱动，并且为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的API，用户可以不使用Linux中的MTD与VFS，直接对文件系统操作。YAFFS2支持大页面的NAND设备，并且对大页面的NAND设备做了优化。JFFS2在NAND闪存上表现并不稳定，更适合于NOR闪存，所以相对大容量的NAND闪存，YAFFS是更好的选择。

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