linux文件系统类型

 

        Linux 支持多种文件系统，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等，为了对各类文件系统进行统一管理，Linux引入了虚拟文件系统VFS(Virtual File System)，为各类文件系统提供一个统一的操作界面和应用编程接口。

        Linux启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。

　　不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据存储设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在嵌入式Linux应用中，主要的存储设备为 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存储器)，常用的基于存储设备的文件系统类型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

 

1、基于Flash的文件系统

 

 

        Flash(闪存)作为嵌入式系统的主要存储媒介，有其自身的特性。Flash的写入操作只能把对应位置的1修改为0，而不能把0修改为1(擦除Flash就是把对应存储块的内容恢复为1)，因此，一般情况下，向Flash写入内容时，需要先擦除对应的存储区间，这种擦除是以块(block)为 单位进行的。

　　闪存主要有NOR和NAND两种技术。Flash存储器的擦写次数是有限的，NAND闪存还有特殊的硬件接口和读写时序。因此，必须针对Flash的硬件特性设计符合应用要求的文件系统；传统的文件系统如ext2等，用作Flash的文件系统会有诸多弊端。

　　在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存储技术设备)为底层硬件(闪存)和上层(文件系统)之间提供一个统一的抽象接口，即Flash的文件系统都是基于MTD驱动层的(参见上面的Linux下的文件系统结构图)。使用MTD驱动程序的主要优点在于，它是专门针对各种非易失性存储器(以闪存为主)而设计的，因而它对Flash有更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读/写操作接口。

　　顺便一提，一块Flash芯片可以被划分为多个分区，各分区可以采用不同的文件系统；两块Flash芯片也可以合并为一个分区使用，采用一个文件系统。即文件系统是针对于存储器分区而言的，而非存储芯片。

        支持在Flash上运行的常用文件系统有cramfs、jffs、jffs2、yaffs、yaffs2等。

        如果想在Flash上实现读写操作，通常在NorFlash上我们会选取jffs及jffs2文件系统，在NandFlash上选用yaffs或yaffs2文件系统。Yaffs2文件系统支持大页(大于512字节/页)的NandFlash存储器。

它们也都是基于文件系统+mtd+flash设备的架构。linux-2.6.27后，内核加入了一种新型的flash文件系统UBI(Unsorted Block Images)。

 

(1) jffs2

　　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。

　　Jffs2: 日志闪存文件系统版本2 (Journalling Flash FileSystem v2)

　　主要用于NOR型闪存，基于MTD驱动层，特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃/掉电安全保护，提供“写平衡”支持等。缺点主要是当文件系统已满或接近满时，因为垃圾收集的关系而使jffs2的运行速度大大放慢。

　　目前jffs3正在开发中。关于jffs系列文件系统的使用详细文档，可参考MTD补丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。

　　jffsx不适合用于NAND闪存主要是因为NAND闪存的容量一般较大，这样导致jffs为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大，另外，jffsx文件系统在挂载时需要扫描整个FLASH的内容，以找出所有的日志节点，建立文件结构，对于大容量的NAND闪存会耗费大量时间。

 

（2）yaffs/yaffs2

 

 

        yaffs/yaffs2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。与jffs2相比，它减少了一些功能(例如不支持数据压缩)，所以速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。另外，它还是跨平台的文件系统，除了Linux和eCos，还支持WinCE, pSOS和ThreadX等。

　　yaffs/yaffs2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。当然，yaffs也可与MTD驱动程序配合使用。

　　yaffs与yaffs2的主要区别在于，前者仅支持小页(512 Bytes) NAND闪存，后者则可支持大页(2KB) NAND闪存。同时，yaffs2在内存空间占用、垃圾回收速度、读/写速度等方面均有大幅提升。

 

yaffs制作工具：mkyaffsimage

yaffs2制作工具:mkyaffs2image（适合64M）、mkyaffs2image-128（适合128M以上）

 

命令：

生成yaffs2镜像文件：./mkyaffs2image-128M rootfs/ rootfs.yaffs2   

生成yaffs镜像文件：./mkyaffsimage rootfs/ rootfs.yaffs

 

烧写：

 

 

 tftp 0x30008000 rootfs.yaffs2

  nand erase 0x580000 7a80000

  nand write.yaffs 0x30008000 0x580000 dbb040

 

设置内核启动参数：

 

 

 setenv bootargs "noinitrd root=/dev/mtdblock3 rootfstyle=yaffs2 console=ttySAC0,115200 init=/linuxrc mem=64M"

 setenv bootcmd "nand read 0x30008000 0x80000 0x500000;bootm 0x30008000" 

 

 

(3) Cramfs：Compressed ROM File System

　　Cramfs是Linux的创始人Linus Torvalds参与开发的一种只读的压缩文件系统。它也基于MTD驱动程序。

　　在cramfs文件系统中，每一页(4KB)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，使系统可通过更低容量的FLASH存储相同的文件，从而降低系统成本。

　　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(eXecute In Place，芯片内执行)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。

　　由于以上特性，Cramfs在嵌入式系统中应用广泛。

　　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。

 

　　(4) Romfs

　　传统型的Romfs文件系统是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统，不支持动态擦写保存，按顺序存放数据，因而支持应用程序以 XIP(eXecute In Place，片内运行)方式运行，在系统运行时，节省RAM空间。uClinux系统通常采用Romfs文件系统。

 

    （5）ubifs

 

UBIFS：基于UBI的FLASH日志文件系统。

 

 

a）配置内核支持UBIFS

     Device Drivers  --->Memory Technology Device (MTD) support  --->UBI - Unsorted block images  --->Enable UBI
       配置mtd支持UBI接口
       File systems  --->Miscellaneous filesystems  --->UBIFS file system support 
       配置内核支持UBIFS文件系统

b）将一个MTD分区4挂载为UBIFS格式

   ● flash_eraseall /dev/mtd4 //擦除mtd4 
       ● ubiattach /dev/ubi_ctrl -m 4 //和mtd4关联 
       ● ubimkvol /dev/ubi0 -N rootfs -s 100MiB //设定volume 大小（不是固定值，可以用工具改变）及名称 
       ● mount -t ubifs ubi0_0 /mnt/ubi或mount -t ubifs ubi0:rootfs /mnt/ubi

c）制作UBIFS文件系统

在制作UBI镜像时，需要首先确定以下几个参数：

   MTD partition size; //对应的FLASH分区大小 
       flash physical eraseblock size; // FLASH物理擦除块大小 
       minimum flash input/output unit size; //最小的FLASH输入输出单元大小 
       for NAND flashes - sub-page size; //对于nand flash来说，子页大小 
       logical eraseblock size.//逻辑擦除块大小

参数可以由几种方式得到

a）如果使用的是2.6.30以后的内核，这些信息可以通过工具从内核获得，如：mtdinfo –u。

b）之前的内核可以通过以下方法：

   ● MTD partition size：从内核的分区表或cat /proc/mtd获得
       ● flash physical eraseblock size：从flash芯片手册中可以得到FLASH物理擦除块大小，或cat /proc/mtd
       ● minimum flash input/output unit size： 
           1）nor flash:通常是1个字节 
           2）nand falsh：一个页面 
       ● sub-page size：通过flash手册获得 
       ● logical eraseblock size：对于有子页的NAND FLASH来说，等于“物理擦除块大小-1页的大小”

c）也可以通过ubi和mtd连接时的产生的信息获取，如：

#modprobe ubi mtd=4 //ubi作为模块加载

或

#ubiattach /dev/ubi_ctrl -m 4 //通过ubiattach关联MTD 
    UBI: attaching mtd4 to ubi0
    UBI: physical eraseblock size: 131072 bytes (128 KiB)
    UBI: logical eraseblock size: 129024 bytes
    UBI: smallest flash I/O unit: 2048
    UBI: sub-page size: 512
    UBI: VID header offset: 512 (aligned 512)
    UBI: data offset: 2048
    UBI: attached mtd4 to ubi0

更详细的解释参见http://www.linux-mtd.infradead.org/doc/ubi.html#L_overhead

#mkfs.ubifs -r rootfs -m 2048 -e 129024 -c 812 -o ubifs.img
    #ubinize -o ubi.img -m 2048 -p 128KiB -s 512 /home/lht/omap3530/tools/ubinize.cfg

-r：制定文件内容的位置 
    -m：页面大小 
    -e：逻辑擦除块大小 
    -p：物理擦除块大小 
    -c：最大的逻辑擦除块数量
    对我们这种情况，文件系统最多可以访问卷上的129024*812=100M空间 
    -s：最小的硬件输入输出页面大小，如：k9f1208为256(上下半页访问)

其中，ubinize.cfg的内容为：

[ubifs]
    mode=ubi
    image=ubifs.img
    vol_id=0
    vol_size=100MiB 
    vol_type=dynamic
    vol_name=rootfs
    vol_flags=autoresize

利用uboot烧写、启动UBIFS镜像

a）烧写UBIFS镜像

OMAP3 DevKit8000 # mmcinit
    OMAP3 DevKit8000 # fatload mmc 0:1 81000000 ubi.img
    reading ubi.img
    12845056 bytes read
    OMAP3 DevKit8000 # nand unlock
    device 0 whole chip
    nand_unlock: start: 00000000, length: 268435456!
    NAND flash successfully unlocked
    OMAP3 DevKit8000 # nand ecc sw
    OMAP3 DevKit8000 # nand erase 680000 7980000
    NAND erase: device 0 offset 0x680000, size 0x7980000
    Erasing at 0x7fe0000 -- 100% complete.
    OK
    OMAP3 DevKit8000 # nand write.i 81000000 680000 $(filesize)
    NAND write: device 0 offset 0x680000, size 0xc40000
    Writing data at 0x12bf800 -- 100% complete.
    12845056 bytes written: OK

烧写过程和烧写内核镜像的过程一致，所以UBI文件系统应该不像yaffs文件系统那样用到了nand的OOB区域。

b）设置UBIFS文件系统作为根文件系统启动的参数

OMAP3 DevKit8000 # setenv bootargs console=ttyS2,115200n8 ubi.mtd=4 root=ubi0:rootfs
    rootfstype=ubifs video=omapfb:mode:4.3inch_LCD
    OMAP3 DevKit8000 # setenv bootcmd nand read.i 80300000 280000 200000\;bootm 80300000

其他文件系 统：fat/fat32也可用于实际嵌入式系统的扩展存储器(例如PDA, Smartphone, 数码相机等的SD卡)，这主要是为了更好的与最流行的Windows桌面操作系统相兼容。ext2也可以作为嵌入式Linux的文件系统，不过将它用于 FLASH闪存会有诸多弊端。

 

        2. 基于RAM的文件系统

　　(1) Ramdisk

　　RamDisk 就是将内存中的一块区域作为物理磁盘来使用的一种技术。它并非一个实际的文件系统，而是一种将实际的文件系统装入内存的机制，并且可以作为根文件系统。将一些经常被访问而又不会更改的文件(如只读的根文件系统)通过Ramdisk放在内存中，可以明显地提高系统的性能。在Linux的启动阶段，initrd提供了一套机制，可以将内核映像和根文件系统一起载入内存。

        为了能够使用RamDisk 你的内核必须要支持：在编译内核时，要选中RAM disk support这一选项，会在配置文件中定义CONFIG_BLK_DEV_RAM。

        为了让内核有能力在内核加载阶段就能装入RAMDISK，并运行其中的内容，要选中initial RAM disk(initrd) support 选项，会在配置文件中定义CONFIG_BLK_DEV_INITRD。

        RamDisk是临时性的，所以没有带日志的文件系统的必要，所以我们一般做 ext2 就可以了。制作方式：

        genext2fs -b 81920 -d rootfs ramdisk

        gzip -9 -f ramdisk

        mkimage -A arm -O linux -T ramdisk -C none -a 0x88080000 -n "ramdisk" -d ramdisk.gz ramdisk.img

        在设置启动参数时：

setenv bootargs console=${console} ${optargs} root=/dev/ram0 rw ramdisk_size=81920 initrd=${rdaddr},80M rootfstype=${ramrootfstype}

        其中，ramdisk_size=N这个参数告诉RAM磁盘驱动将RAM磁盘的大小设置为N k。RAM磁盘的大小会根据需要动态的增长，因此其大小有个上限加以限制以免它用光所有可用的内存而坏事。ramdisk_size这个参数实际是设置这个上限值的。

       我们可以通过命令：dmesg | grep RAMDISK来查看这个上限值。要注意的是，这个值在系统运行阶段是不能再被修改的。尽管RAM磁盘的大小有个最大值，但我们可以指定需要使用的RAM磁盘的容量。当我们没有指定需要使用的RAM磁盘的容量，而直接在其上挂载文件系统时，它的容量是其上限值。

　　(2)ramfs/tmpfs

　　Ramfs是Linus Torvalds开发的一种基于内存的文件系统，工作于虚拟文件系统(VFS)层，不能格式化，可以创建多个，在创建时可以指定其最大能使用的内存大 小。(实际上，VFS本质上可看成一种内存文件系统，它统一了文件在内核中的表示方式，并对磁盘文件系统进行缓冲。)

　　Ramfs/tmpfs文件系统把所有的文件都放在RAM中，所以读/写操作发生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs来存储一些临时性或经常要修改的数据，例如/tmp和/var目录，这样既避免了对Flash存储器的读写损耗，也提高了数据读写速度。

　　Ramfs/tmpfs相对于传统的Ramdisk的不同之处主要在于：不能格式化，文件系统大小可随所含文件内容大小变化。

　　Tmpfs的一个缺点是当系统重新引导时会丢失所有数据。

　　3. 网络文件系统NFS (Network File System)

　　NFS是由Sun开发并发展起来的一项在不同机器、不同操作系统之间通过网络共享文件的技术。在嵌入式Linux系统的开发调试阶段，可以利用该技术在主机上建立基于NFS的根文件系统，挂载到嵌入式设备，可以很方便地修改根文件系统的内容。

 

　　以上讨论的都是基于存储设备的文件系统(memory-based file system)，它们都可用作Linux的根文件系统。实际上，Linux还支持逻辑的或伪文件系统(logical or pseudo file system)，例如procfs(proc文件系统)，用于获取系统信息，以及devfs(设备文件系统)和sysfs，用于维护设备文件。