嵌入式Linux檔案系統詳細介紹

    Linux 支援多種檔案系統，包括 ext2 、 ext3 、 vfat 、 ntfs 、 iso9660 、 jffs 、 romfs 和 nfs 等，為了對各類檔案系統進行統一管理， Linux 引入了虛拟檔案系統 VFS(Virtual File System) ，為各類檔案系統提供一個統一的操作界面和應用程式設計接口。 　　 Linux 下的檔案系統結構如下：     　　 Linux 啟動時，第一個必須挂載的是根檔案系統；若系統不能從指定裝置上挂載根檔案系統，則系統會出錯而退出啟動。之後可以自動或手動挂載其他的檔案系統。是以，一個系統中可以同時存在不同的檔案系統。 　　不同的檔案系統類型有不同的特點，因而根據儲存設備的硬體特性、系統需求等有不同的應用場合。在嵌入式 Linux 應用中，主要的儲存設備為 RAM(DRAM, SDRAM) 和 ROM( 常采用 FLASH 存儲器 ) ，常用的基于儲存設備的檔案系統類型包括： jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs 等。 　　 1. 基于 FLASH 的檔案系統 　　 Flash( 閃存 ) 作為嵌入式系統的主要存儲媒介，有其自身的特性。 Flash 的寫入操作隻能把對應位置的 1 修改為 0 ，而不能把 0 修改為 1( 擦除 Flash 就是把對應存儲塊的内容恢複為 1) ，是以，一般情況下，向 Flash 寫入内容時，需要先擦除對應的存儲區間，這種擦除是以塊 (block) 為機關進行的。 　　閃存主要有 NOR 和 NAND 兩種技術 ( 簡單比較見附錄 ) 。 Flash 存儲器的擦寫次數是有限的， NAND 閃存還有特殊的硬體接口和讀寫時序。是以，必須針對 Flash 的硬體特性設計符合應用要求的檔案系統；傳統的檔案系統如 ext2 等，用作 Flash 的檔案系統會有諸多弊端。 　　在嵌入式 Linux 下， MTD(Memory Technology Device, 存儲技術裝置 ) 為底層硬體 ( 閃存 ) 和上層 ( 檔案系統 ) 之間提供一個統一的抽象接口，即 Flash 的檔案系統都是基于 MTD 驅動層的 ( 參見上面的 Linux 下的檔案系統結構圖 ) 。使用 MTD 驅動程式的主要優點在于，它是專門針對各種非易失性存儲器 ( 以閃存為主 ) 而設計的，因而它對 Flash 有更好的支援、管理和基于扇區的擦除、讀 / 寫操作接口。 　　順便一提，一塊 Flash 晶片可以被劃分為多個分區，各分區可以采用不同的檔案系統；兩塊 Flash 晶片也可以合并為一個分區使用，采用一個檔案系統。即檔案系統是針對于存儲器分區而言的，而非存儲晶片。 　　 (1) jffs2 　　 JFFS 檔案系統最早是由瑞典 Axis Communications 公司基于 Linux2.0 的核心為嵌入式系統開發的檔案系統。 JFFS2 是 RedHat 公司基于 JFFS 開發的閃存檔案系統，最初是針對 RedHat 公司的嵌入式産品 eCos 開發的嵌入式檔案系統，是以 JFFS2 也可以用在 Linux, uCLinux 中。 　　 Jffs2: 日志閃存檔案系統版本 2 (Journalling Flash FileSystem v2) 　　主要用于 NOR 型閃存，基于 MTD 驅動層，特點是：可讀寫的、支援資料壓縮的、基于哈希表的日志型檔案系統，并提供了崩潰 / 掉電安全保護，提供“寫平衡”支援等。缺點主要是當檔案系統已滿或接近滿時，因為垃圾收集的關系而使 jffs2 的運作速度大大放慢。 　　目前 jffs3 正在開發中。關于 jffs 系列檔案系統的使用詳細文檔，可參考 MTD 更新檔包中 mtd-jffs-HOWTO.txt 。 　　 jffsx 不适合用于 NAND 閃存主要是因為 NAND 閃存的容量一般較大，這樣導緻 jffs 為維護日志節點所占用的記憶體空間迅速增大，另外， jffsx 檔案系統在挂載時需要掃描整個 FLASH 的内容，以找出所有的日志節點，建立檔案結構，對于大容量的 NAND 閃存會耗費大量時間。 (2) yaffs ： Yet Another Flash File System 　　 yaffs/yaffs2 是專為嵌入式系統使用 NAND 型閃存而設計的一種日志型檔案系統。與 jffs2 相比，它減少了一些功能 ( 例如不支援資料壓縮 ) ，是以速度更快，挂載時間很短，對記憶體的占用較小。另外，它還是跨平台的檔案系統，除了 Linux 和 eCos ，還支援 WinCE, pSOS 和 ThreadX 等。 　　 yaffs/yaffs2 自帶 NAND 晶片的驅動，并且為嵌入式系統提供了直接通路檔案系統的 API ，使用者可以不使用 Linux 中的 MTD 與 VFS ，直接對檔案系統操作。當然， yaffs 也可與 MTD 驅動程式配合使用。 　　 yaffs 與 yaffs2 的主要差別在于，前者僅支援小頁 (512 Bytes) NAND 閃存，後者則可支援大頁 (2KB) NAND 閃存。同時， yaffs2 在記憶體空間占用、垃圾回收速度、讀 / 寫速度等方面均有大幅提升。 　　 (3) Cramfs ： Compressed ROM File System 　　 Cramfs 是 Linux 的創始人 Linus Torvalds 參與開發的一種隻讀的壓縮檔案系統。它也基于 MTD 驅動程式。 　　在 cramfs 檔案系統中，每一頁 (4KB) 被單獨壓縮，可以随機頁通路，其壓縮比高達 2:1, 為嵌入式系統節省大量的 Flash 存儲空間，使系統可通過更低容量的 FLASH 存儲相同的檔案，進而降低系統成本。 　　 Cramfs 檔案系統以壓縮方式存儲，在運作時解壓縮，是以不支援應用程式以 XIP 方式運作，所有的應用程式要求被拷到 RAM 裡去運作，但這并不代表比 Ramfs 需求的 RAM 空間要大一點，因為 Cramfs 是采用分頁壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時，不會一下子就耗用過多的記憶體空間，隻針對目前實際讀取的部分配置設定記憶體，尚沒有讀取的部分不配置設定記憶體空間，當我們讀取的檔案不在記憶體時， Cramfs 檔案系統自動計算壓縮後的資料所存的位置，再即時解壓縮到 RAM 中。 　　另外，它的速度快，效率高，其隻讀的特點有利于保護檔案系統免受破壞，提高了系統的可靠性。 　　由于以上特性， Cramfs 在嵌入式系統中應用廣泛。 　　但是它的隻讀屬性同時又是它的一大缺陷，使得使用者無法對其内容對進擴充。 　　 Cramfs 映像通常是放在 Flash 中，但是也能放在别的檔案系統裡，使用 loopback 裝置可以把它安裝别的檔案系統裡。 　　 (4) Romfs 　　傳統型的 Romfs 檔案系統是一種簡單的、緊湊的、隻讀的檔案系統，不支援動态擦寫儲存，按順序存放資料，因而支援應用程式以 XIP(eXecute In Place ，片内運作 ) 方式運作，在系統運作時，節省 RAM 空間。 uClinux 系統通常采用 Romfs 檔案系統。 　　其他檔案系統： fat/fat32 也可用于實際嵌入式系統的擴充存儲器 ( 例如 PDA, Smartphone, 數位相機等的 SD 卡 ) ，這主要是為了更好的與最流行的 Windows 桌面作業系統相相容。 ext2 也可以作為嵌入式 Linux 的檔案系統，不過将它用于 FLASH 閃存會有諸多弊端。 2. 基于 RAM 的檔案系統 　　 (1) Ramdisk 　　 Ramdisk 是将一部分固定大小的記憶體當作分區來使用。它并非一個實際的檔案系統，而是一種将實際的檔案系統裝入記憶體的機制，并且可以作為根檔案系統。将一些經常被通路而又不會更改的檔案 ( 如隻讀的根檔案系統 ) 通過 Ramdisk 放在記憶體中，可以明顯地提高系統的性能。 　　在 Linux 的啟動階段， initrd 提供了一套機制，可以将核心映像和根檔案系統一起載入記憶體。 　　 (2)ramfs/tmpfs 　　 Ramfs 是 Linus Torvalds 開發的一種基于記憶體的檔案系統，工作于虛拟檔案系統 (VFS) 層，不能格式化，可以建立多個，在建立時可以指定其最大能使用的記憶體大小。 ( 實際上， VFS 本質上可看成一種記憶體檔案系統，它統一了檔案在核心中的表示方式，并對磁盤檔案系統進行緩沖。 ) 　　 Ramfs/tmpfs 檔案系統把所有的檔案都放在 RAM 中，是以讀 / 寫操作發生在 RAM 中，可以用 ramfs/tmpfs 來存儲一些臨時性或經常要修改的資料，例如 /tmp 和 /var 目錄，這樣既避免了對 Flash 存儲器的讀寫損耗，也提高了資料讀寫速度。 　　 Ramfs/tmpfs 相對于傳統的 Ramdisk 的不同之處主要在于：不能格式化，檔案系統大小可随所含檔案内容大小變化。 　　 Tmpfs 的一個缺點是當系統重新開機時會丢失所有資料。 　　 3. 網絡檔案系統 NFS (Network File System) 　　 NFS 是由 Sun 開發并發展起來的一項在不同機器、不同作業系統之間通過網絡共享檔案的技術。在嵌入式 Linux 系統的開發調試階段，可以利用該技術在主機上建立基于 NFS 的根檔案系統，挂載到嵌入式裝置，可以很友善地修改根檔案系統的内容。 　　以上讨論的都是基于儲存設備的檔案系統 (memory-based file system) ，它們都可用作 Linux 的根檔案系統。實際上， Linux 還支援邏輯的或僞檔案系統 (logical or pseudo file system) ，例如 procfs(proc 檔案系統 ) ，用于擷取系統資訊，以及 devfs( 裝置檔案系統 ) 和 sysfs ，用于維護裝置檔案。