关于linux下的嵌入式文件系统以及flash文件系统选择

嵌入式linux下常见的文件系统

• RomFS：只读文件系统，可以放在ROM空间，也
可以在系统的RAM中，嵌入式linux中常用来作
根文件系统
• RamFS：利用VFS自身结构而形成的内存文件系
统，使用系统的RAM空间
• JFFS/JFFS2：为Flash设计的日志文件系统
• Yaffs：专门为Nand Flash设计
• proc：为内核和内核模块将信息发送给进程提
供一种机制，可以查看系统模块装载的信息
• devFS：设备文件系统
Linux上的Ext2fs
• 支持4 TB 存储、文件名称最长1012 字符
• 可选择逻辑块
• 快速符号链接
• Ext2不适合flash设备
• 是为象IDE 设备那样的块设备设计的，逻辑块大小必
须是512 byte、1 KB、2KB等
• 没有提供对基于扇区的擦除／写操作的良好管理
• 如果在一个扇区中擦除单个字节，必须将整个扇区复制到
RAM，然后擦除，再重写入
• 在出现电源故障时，Ext2fs 是不能防止崩溃的
• 文件系统不支持损耗平衡，缩短了flash的寿命
jffs/jffs2文件系统的优缺点
• 日志文件系统
• 提供了更好的崩溃、掉电安全保护
• jffs2支持对flash的均匀磨损
• 在扇区级别上执行闪存擦除／写／读操作要
比Ext2文件系统好
• 文件系统接近满时，JFFS2 会大大放慢运行
速度——垃圾收集
Nand上yaffs文件系统的优势
• 专门为Nand flash设计的日志文件系统
• jffs／jffs2不适合大容量的Nand flash
• jffs的日志通过jffs_node建立在RAM中，占用
RAM空间：对于128MB的Nand大概需要4MB的空间
来维护节点
• 启动的时候需要扫描日志节点，不适合大容量
的Nand flash
• FAT系统没有日志
编译yaffs文件系统
• mtd的最新补丁升级？
• 接口更新，适合与yaffs
• 与原有的mtd驱动程序不兼容，需要重写
• 如果使用旧mtd驱动需要定义Makefile中
MTD_OLD = -DCONFIG_YAFFS_USE_OLD_MTD
• 参考文档： yaffs-rootfs-howto
• 最新版的yaffs网站：
http://www.aleph1.co.uk/armlinux/projects/yaffs
使用yaffs文件系统
• 通过cat /proc/yaffs命令可以看到yaffs系
统的相关信息
• mount -t yaffs /dev/mtdblock/0 /mnt/ya
ffs


关于Linux文件系统

JFFS全称为：The Journalling Flash File System（日志闪存文件系统）最初由瑞典的 Axis Communications 开发，Red Hat 的 David Woodhouse 对它进行了改进。作为用于微型嵌入式设备的原始闪存芯片的实际文件系统而出现。JFFS文件系统是日志结构化的，这意味着它基本上是一长列节点。每个节点包含有关文件的部分信息 — 可能是文件的名称、也许是一些数据。相对于 Ext2 fs，JFFS 因为有以下这些优点而在无盘嵌入式设备中越来越受欢迎：
　　
　　 1 JFFS 在扇区级别上执行闪存擦除／写／读操作要比 Ext2 文件系统好。
　　 2 JFFS 提供了比 Ext2 更好的崩溃／掉电安全保护。当需要更改少量数据时，Ext2 文件系统将整个扇区复制到内存（DRAM）中，在内存中合并新数据，并写回整个扇区。这意味着为了更改单个字，必须对整个扇区（64 KB）执行读／擦除／写例程 — 这样做的效率非常低。要是运气差，当正在 DRAM 中合并数据时，发生了电源故障或其它事故，那么将丢失整个数据集合，因为在将数据读入 DRAM 后就擦除了闪存扇区。JFFS 附加文件而不是重写整个扇区，并且具有崩溃／掉电安全保护这一功能。
　　 3 这可能是最重要的一点：JFFS 是专门为象闪存芯片那样的嵌入式设备创建的，所以它的整个设计提供了更好的闪存管理。
　　 要构建JFFS文件系统，首先要有硬件设备FLASH及支持JFFS文件系统的操作系统。


摘要：本文主要分析了uclinux 2.4内核的jffs文件系统机制。希望能对基于uclinux开发产品的广大工程师有所帮助。

关键词：uclinux vfs jffs

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一、flash读写的特殊性
对于嵌入式系统，flash是很常见的一种设备，而大部分的嵌入式系统都是把文件系统建立在flash之上，由于对flash操作的特殊性，使得在flash上的文件系统和普通磁盘上的文件系统有很大的差别，对flash操作的特殊性包括：
（1） 不能对单个字节进行擦除，最小的擦写单位是一个block，有时候也称为一个扇区。典型的一个block的大小是64k。不同的flash会有不同，具体参考flash芯片的规范。
（2） 写操作只能对一个原来是空（也就是该地址的内容是全f）的位置操作，如果该位置非空，写操作不起作用，也就是说如果要改写一个原来已经有内容的空间，只能是读出该sector到ram，在ram中改写，然后写整个sector。
由于这些特殊写，所以在flash这样的设备上建立文件也有自己独特的特点，下面我们就以jffs为例进行分析。

二、jffs体系结构介绍
1、存储结构
在jffs中，所有的文件和目录是一样对待的，都是用一个jffs_raw_inode来表示


整个flash上就是由一个一个的raw inode排列组成，一个目录只有一个raw inode，对于文件则是由一个或多个raw inode组成。

2、文件组成
在文件系统mount到flash设备上的时候，会扫描flash，从而根据flash上的所有属于一个文件的raw inode建立一个jffs_file结构以及node list。
下面的图显示了一个文件的组成


一个文件是由若干个jffs_node组成，每一个jffs_node是根据flash上得jffs_raw_inode而建立的，jffs_file主要维护两个链表
版本链表：主要是描述该node创建的早晚，就是说version_head指向的是一个最老的node，也就意味着垃圾回收的时候最该回收的就是这个最老的node。
区域链表：这个链表主要是为读写文件创建的，version_head指向的node代表的文件数据区域是0~~~n-1 之后依次的节点分别是 n~~~m-1 m~~~~o-1 …….其中n<M<="" p="" />

3、操作
对文件的读操作应该是比较简单，但是写操作，包括更改文件名等操作都是引起一个新的jffs_node的诞生，同时要写一个相映的raw inode到flash上，这样的操作有可能导致前面的某个jffs_node上面的数据完全失效，从而导致对应flash上的raw inode的空间成为dirty。
下面举一个例子可能会更清楚一些。

一个文件的range list是由上面的三个jffs_node组成，当我们做如下写操作的时候
lseek( fd, 10, SEEK_SET );
write( fd, buf,40 );
第一个和最后一个node被截短了，第二个node完全被新数据替换，该node会从链表上摘下来，flash上空间变成dirty。如果做如下写操作的时候
lseek( fd, 23, SEEK_SET );
write( fd, buf,5 );
此时，第二个node被分裂成两个node，同时产生一个新的node，range链表的元素变成五个。




基于Linux2.6的YAFFS文件系统移植
v1.0,2005-6-6
一、YAFFS文件系统简介
YAFFS，Yet Another Flash File System，是一种类似于JFFS/JFFS2的专门为Flash设计的嵌入式文件系统。与JFFS相比，它减少了一些功能，因此速度更快、占用内存更少。
YAFFS和JFFS都提供了写均衡，垃圾收集等底层操作。它们的不同之处在于：
（1）、JFFS是一种日志文件系统，通过日志机制保证文件系统的稳定性。YAFFS仅仅借鉴了日志系统的思想，不提供日志机能，所以稳定性不如JAFFS，但是资源占用少。
（2）、JFFS中使用多级链表管理需要回收的脏块，并且使用系统生成伪随机变量决定要回收的块，通过这种方法能提供较好的写均衡，在YAFFS中是从头到尾对块搜索，所以在垃圾收集上JFFS的速度慢，但是能延长NAND的寿命。
（3）、JFFS支持文件压缩，适合存储容量较小的系统；YAFFS不支持压缩，更适合存储容量大的系统。
YAFFS 还带有NAND芯片驱动，并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和VFS，直接对文件进行操作。NAND Flash大多采用MTD+YAFFS的模式。MTD（ Memory Technology Devices，内存技术设备）是对Flash操作的接口，提供了一系列的标准函数，将硬件驱动设计和系统程序设计分开。
二、YAFFS文件系统的移植
yaffs代码可以从http://www.aleph1.co.uk/armlinux/projects/下载（yaffs代码包括yaffs_ecc
.c，yaffs_fileem.c，yaffs_fs.c，yaffs_guts.c，yaffs_mtdif.c，yaffs_ramem.c。）
表一 Yaffs文件系统源代码相关文件及功能描述
文件名 功   能
yaffs_ecc.c ECC校验算法
yaffs_fileem.c 测试flash
yaffs_fs.c 文件系统接口函数
yaffs_guts.c Yaffs文件系统算法
yaffs_mtdif.c NAND函数
yaffs_ramem.c Ramdisk实现
1.内核中没有YAFFS，所以需要自己建立YAFFS目录，并把下载的YAFFS代码复制到该目录下面。
#mkdir fs/yaffs
#cp *.c(yaffs source code) fs/yaffs
2.修改fs/Kconfig，使得可以配置yaffs :
source "fs/yaffs/Kconfig"
3．修改fs/makefile，添加如下内容：
obj-$(CONFIG_YAFFS_FS)       += yaffs/
4.在fs目录下生成yaffs目录，并在里面生成一个makefile 和Kconfig
Makefile 内容为：
yaffs-objs := yaffs_fs.o yaffs_guts.o yaffs_mtdif.o yaffs_ecc.o
EXTRA_CFLAGS += $(YAFFS_CONFIGS) -DCONFIG_KERNEL_2_6
Kconfig内容为：
#
# YAFFS file system configurations
#
config YAFFS_FS
tristate "Yet Another Flash Filing System(YAFFS) file system support"
help
  YAFFS, for Yet Another Flash Filing System, is a filing system
  optimised for NAND Flash chips.

  To compile the YAFFS file system support as a module, choose M here:
  the module will be called yaffs.

  If unsure, say N.

  Further information on YAFFS is available at
  <http://www.aleph1.co.uk/yaffs/>.

config YAFFS_MTD_ENABLED
bool "NAND mtd support"
depends on YAFFS_FS
help
  This adds the yaffs file system support for working with a NAND mtd.

  If unsure, say Y.

config YAFFS_RAM_ENABLED
bool "yaffsram file system support"
depends on YAFFS_FS
help
  This adds the yaffsram file system support. Nice for testing on x86,
  but uses 2MB of RAM. Don't enable for NAND-based targets.

  If unsure, say N.

comment "WARNING: mtd and/or yaffsram support should be selected"
depends on YAFFS_FS && !YAFFS_MTD_ENABLED && !YAFFS_RAM_ENABLED

config YAFFS_USE_OLD_MTD
bool "Old mtd support"
depends on YAFFS_FS && 0
help
  Enable this to use the old MTD stuff that did not have yaffs support.
  You can use this to get around compilation problems, but the best
  thing to do is to upgrade your MTD support. You will get better speed.

  If unsure, say N.

config YAFFS_USE_NANDECC
bool "Use ECC functions of the generic MTD-NAND driver"
depends on YAFFS_FS
default y
help
  This enables the ECC functions of the generic MTD-NAND driver.
  This will not work if you are using the old mtd.

  NB Use NAND ECC does not work at present with yaffsram.

  If unsure, say Y.

config YAFFS_ECC_WRONG_ORDER
bool "Use the same ecc byte order as Steven Hill's nand_ecc.c"
depends on YAFFS_FS
help
  This makes yaffs_ecc.c use the same ecc byte order as
  Steven Hill's nand_ecc.c. If not set, then you get the
  same ecc byte order as SmartMedia.

  If unsure, say N.

config YAFFS_USE_GENERIC_RW
bool "Use Linux file caching layer"
default y
depends on YAFFS_FS
help
  Use generic_read/generic_write for reading/writing files. This
  enables the use of the Linux file caching layer.

  If you disable this, then caching is disabled and file read/write
  is direct.

  If unsure, say Y.

config YAFFS_USE_HEADER_FILE_SIZE
bool "Use object header size"
depends on YAFFS_FS
help
  When the flash is scanned, two file sizes are constructed:
  * The size taken from the object header for the file.
  * The size figured out by scanning the data chunks.
  If this option is enabled, then the object header size is used,
  otherwise the scanned size is used.

  If unsure, say N.

config YAFFS_DISABLE_CHUNK_ERASED_CHECK
bool "Turn off debug chunk erase check"
depends on YAFFS_FS
default y
help
  Enabling this turns off the test that chunks are erased in flash
  before writing to them. This is safe, since the write verification
  will fail. Suggest enabling the test (ie. say N)
  during development to help debug things.

  If unsure, say Y.

#config YAFFS_DISABLE_WRITE_VERIFY
# bool "Disable write verify (DANGEROUS)"
# depends on YAFFS_FS && EXPERIMENTAL
# help
#   I am severely reluctant to provide this config. Disabling the
#   verification is not a good thing to do since NAND writes can
#   fail silently. Disabling the write verification will cause your
#   teeth to rot, rats to eat your corn and give you split ends.
#   You have been warned. ie. Don't uncomment the following line.
#
#   If unsure, say N.
#

config YAFFS_SHORT_NAMES_IN_RAM
bool "Cache short names in RAM"
depends on YAFFS_FS
default y
help
  If this config is set, then short names are stored with the
  yaffs_Object. This costs an extra 16 bytes of RAM per object,
  but makes look-ups faster.

  If unsure, say Y.
5．在/arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c找到smdk_default_nand_part结构，修改nand分区，如下：
struct mtd_partition smdk_default_nand_part[] = {
    [0] = {
          .name   = "vivi",
          .size   = 0x00020000,
          .offset = 0x00000000,
    },
    [1] = {
          .name   = "param",
          .size   = 0x00010000,
          .offset = 0x00020000,
    },
    [2] = {
          .name   = "kernel",
          .size   = 0x00100000,
          .offset = 0x00030000,
    },
    [3] = {
          .name   = "root",
          .size   = 0x01900000,
          .offset = 0x00130000,
    },
    [4] = {
          .name   = "user",
          .size   = 0x025d0000,
          .offset = 0x01a30000,
    }
};
注：此分区要结合vivi里面的分区来进行设置。
6．配置内核时选中MTD支持：
Memory Technology Devices (MTD) --->
<*> Memory Technology Device (MTD) support

  MTD partitioning support
  ……
--- User Modules And Translation Layers
<*> Direct char device access to MTD devices
<*> Caching block device access to MTD devices
……
NAND Flash Device Drivers --->
<*> NAND Device Support
<*> NAND Flash support for S3C2410 SoC

  S3C2410 NAND driver debug
7．配置内核时选中YAFFS支持：
File systems --->
Miscellaneous filesystems --->
<*> Yet Another Flash Filing System(YAFFS) file system support

  NAND mtd support

  Use ECC functions of the generic MTD-NAND driver

  Use Linux file caching layer

  Turn off debug chunk erase check

  Cache short names in RAM
8.编译内核并将内核下载到开发板的flash中。
三、Yaffs文件系统测试：
1.内核启动之后，在启动信息里面可以看到如下内容：
NAND device: Manufacturer ID: 0xec, Chip ID: 0x76 (Samsung NAND 64MiB 3,3V 8-bit)
Scanning device for bad blocks
Creating 5 MTD partitions on "NAND 64MiB 3,3V 8-bit":
0x00000000-0x00020000 : "vivi"
0x00020000-0x00030000 : "param"
0x00030000-0x00130000 : "kernel"
0x00130000-0x01a30000 : "root"
0x01a30000-0x04100000 : "user"
2.如果在内核里面添加了proc文件系统的支持那么你在proc里面可以看到有关yaffs的信息
~ # cat proc/filesystems
nodev   sysfs
nodev   rootfs
nodev   bdev
nodev   proc
nodev   sockfs
nodev   pipefs
nodev   futexfs
nodev   tmpfs
nodev   eventpollfs
nodev   devpts
nodev   ramfs
    vfat
nodev   devfs
nodev   nfs
    yaffs
nodev   rpc_pipefs
3.查看dev目录下相关目录可以看到：
~ # ls dev/mtd -al
drwxr-xr-x   1 root   root         0 Jan 1 00:00 .
drwxr-xr-x   1 root   root         0 Jan 1 00:00 ..
crw-rw-rw-   1 root   root     90,   0 Jan 1 00:00 0
cr--r--r--   1 root   root     90,   1 Jan 1 00:00 0ro
crw-rw-rw-   1 root   root     90,   2 Jan 1 00:00 1
cr--r--r--   1 root   root     90,   3 Jan 1 00:00 1ro
crw-rw-rw-   1 root   root     90,   4 Jan 1 00:00 2
cr--r--r--   1 root   root     90,   5 Jan 1 00:00 2ro
crw-rw-rw-   1 root   root     90,   6 Jan 1 00:00 3
cr--r--r--   1 root   root     90,   7 Jan 1 00:00 3ro
crw-rw-rw-   1 root   root     90,   8 Jan 1 00:00 4
cr--r--r--   1 root   root     90,   9 Jan 1 00:00 4ro

~ # ls dev/mtdblock/ -al
drwxr-xr-x   1 root   root         0 Jan 1 00:00 .
drwxr-xr-x   1 root   root         0 Jan 1 00:00 ..
brw-------   1 root   root     31,   0 Jan 1 00:00 0
brw-------   1 root   root     31,   1 Jan 1 00:00 1
brw-------   1 root   root     31,   2 Jan 1 00:00 2
brw-------   1 root   root     31,   3 Jan 1 00:00 3
brw-------   1 root   root     31,   4 Jan 1 00:00 4
4.mount、umount
建立mount目录
~ #mkdir /mnt/flash0
~ #mkdir /mnt/flash1
Mountblockdevice设备
~ #mount –t yaffs /dev/mtdblock/3 /mnt/flash0
~ #mount –t yaffs /dev/mtdblock/4 /mnt/flash1
~ #cp 1.txt /mnt/flash0
~ #cp 2.txt /mnt/flash1
查看mount上的目录，可以看到该目录下有刚才拷贝的文件，将其umount后，再次mount上来可以发现拷贝的文件仍然存在，这时删除该文件然后umount，再次mount后，可以发现拷贝的文件已经被删除，由此可以该分区可以正常读写。
5.在flash上建立根文件系统
~ # mount –t yaffs /dev/mtdblock/3 /mnt/flash0
~ #cp (your rootfs) /mnt/flash0
~ #umount /mnt/flash0
重新启动，改变启动参数：
param set linux_cmd_line "noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0"
重新启动，开发板就可以从flash启动根文件系统了。
注：这里你得在内核中添加devfs文件系统的支持，否则内核无法找到/dev/mtdblock/3目录

目前flash的文件系统比较多，用的比较多的就是JFFS2文件系统。基于NOR flash上的JFFS2文件系统可以说算是比较成熟了，支持NAND flash的JFFS2也已经发布了。源代码可以到http://www.linux-mtd.infradead.org上面下载。但是在我的测试过程中，在nand flash上挂接的JFFS2文件系统很不稳定，经常有CRC错误产生。特别是进行写操作的时候，每次复位都会产生CRC错误，可以说支持NAND flash的JFFS2文件系统目前还不成熟。而YAFFS文件系统则是专门针对NAND flash的，源代码可以到
http://www.aleph1.co.uk/yaffs/index.html上下载。在测试过程中稳定性能比JFFS2文件系统要稳定的多，而且mount分区的时间也比JFFS2文件系统少的多。用JFFS2 mount一个2m的文件系统大约需要1s。下面分别介绍在uclinux下面使用JFFS2和YAFFS文件系统。
1、JFFS2
到http://www.linux-mtd.infradead.org上面下载最新的MTD和JFFS2压缩包。压缩包里面还有有关的内核补丁和一些MTD的相关工具。主要的补丁就是ilookup-2.4.23.patch，因为最新的MTD驱动中要用到一个ilookup（）函数。打完补丁、更新了MTD驱动和JFFS2文件系统之后就开始写自己nand flash驱动了。如果不想把JFFS2作为根文件系统的话，还需要修改MTD_BLOCK_MAJOR。驱动可以参考里面的例子，最简单的就是参考spia.c。
写驱动主要工作是定义flash分区结构、定义flash读写地址、写控制flash的**_hwcontrol()函数。具体的操作要看所用的nand flash的芯片资料。相对NOR flash来说驱动要简单多了。:)
改完之后再配置
Memory Technology Devices(MTD)下
  CONFIG_MTD=Y
  CONFIG_MTD_DEBUG=Y
  CONFIG_MTD_DEBUG_VERBOSE=3
  CONFIG_MTD_PARTITIONS=Y
  CONFIG_MTD_CHAR=Y
  CONFIG_MTD_BLOCK=Y
NAND Flash Device Drivers下
  CONFIG_MTD_NAND=Y
  定义自己的驱动文件
File systems下
CONFIG_JFFS2_FS=Y
  CONFIG_JFFS2_FS_DEBUG=2
CONFIG_JFFS2_FS_NAND=y /*这个是新加的*/
在uClinux v1.3.4 Configuration下
Flash Tools下
CONFIG_USER_MTDUTILS=Y
  CONFIG_USER_MTDUTILS_ERASE=Y
  CONFIG_USER_MTDUTILS_ERASEALL=Y
  CONFIG_USER_MTDUTILS_MKFSJFFS2=Y
最后就是辛苦了调试工作了。:(MTD驱动调试完之后，就可以在上面挂接JFFS2文件系统了。参看flash分区情况：cat /proc/mtd，擦除分区:eraseall /dev/mtd*.例如把第一个分区mount到/mnt目录下面：
先:eraseall /dev/mtd0
然后:mount -t jffs2 /dev/mtdblock0 /mnt
2、YAFFS
YAFFS意义为'yet another flash file system'，也是一个开源的文件系统。YAFFS是目前为止唯一一个专门为NAND flash设计的文件系统，具有很好的可移植性，能够在linux，uclinux，和wince
下面运行。
在http://www.aleph1.co.uk/yaffs/index.html上下载源代码。压缩包里面也包含YAFFS的说明文档。YAFFS文件系统的源文件就devextras.h，yaffs_ecc.c，yaffs_ecc.h,yaffs_guts.c,yaffs_guts.h,yaffs_mtdif.h,yaffs_mtdif.c和yportenv.h
另外需要配置的宏：CONFIG_YAFFS_FS 和CONFIG_YAFFS_MTD_ENABLED，就是配置在mtd上面挂接YAFFS，其它还有一些辅助配置需要时也可以配置。
在fs目录下面建一个yaffs目录，把以上说的文件考里面去，新建一个makefile：
O_TARGET := yaffs.o
obj-y := yaffs_fs.o yaffs_guts.o yaffs_mtdif.o yaffs_ecc.o
obj-m := $(O_TARGET)
include $(TOPDIR)/Rules.make
接下来就是改fs目录下面config.in和makefile，在配置YAFFS的时候，把YAFFS连接进去。
如果像前面一样已经把NAND MTD驱动调好了，加YAFFS就很简单了。因为YAFFS是自己做ECC校验的，所以要把MTD驱动里面的ECC去掉。在驱动里面改成this->eccmode = NAND_ECC_NONE就可以了。
另外YAFFS是用mkyaffs来擦除flash，所以在mtd-utils中加上mkyaffs.c，一起编译进去。
最后就是编译了，呵呵。中间会有一些警告没有关系的，就是写没有用的变量和函数，不过话说回来YAFFS的代码写的确实不太规范。当然它的性能确实没话说。有兴趣的可以试一下。