嵌入式Linux檔案系統

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引入了虛擬檔案系統VFS(Virtual File System)，為各類檔案系統提供一個統一的操作介面和應用編程介面。

　　Linux下的檔案系統結構如下：

 

 

　　Linux啟動時，第一個必須掛載的是根檔案系統；若系統不能從指定裝置上掛載根檔案系統，則系統會出錯而退出啟動。之後可以自動或手動掛載其他的檔案系統。因此，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，因而根據存放裝置的硬體特性、系統需求等有不同的應用場合。在嵌入式Linux應用中，主要的存放裝置為RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常採用FLASH儲存空間)，常用的基於存放裝置的檔案系統類型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

　　1. 基於FLASH的檔案系統

　　Flash(快閃記憶體)作為嵌入式系統的主要儲存媒介，有其自身的特性。Flash的寫入操作只能把對應位置的1修改為0，而不能把0修改為1(擦除Flash就是把對應儲存塊的內容恢複為1)，因此，一般情況下，向Flash寫入內容時，需要先擦除對應的儲存區間，這種擦除是以塊(block)為單位進行的。

　　快閃記憶體主要有NOR和NAND兩種技術(簡單比較見附錄)。Flash儲存空間的擦寫次數是有限的，NAND快閃記憶體還有特殊的硬體介面和讀寫時序。因此，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,儲存技術裝置)為底層硬體(快閃記憶體)和上層(檔案系統)之間提供一個統一的抽象介面，即Flash的檔案系統都是基於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於，它是專門針對各種非易失性儲存空間(以快閃記憶體為主)而設計的，因而它對Flash有更好的支援、管理和基於扇區的擦除、讀/寫操作介面。

　　順便一提，一塊Flash晶片可以被劃分為多個分區，各分區可以採用不同的檔案系統；兩塊Flash晶片也可以合并為一個分區使用，採用一個檔案系統。即檔案系統是針對於儲存空間分區而言的，而非儲存晶片。

　　(1) jffs2

　　JFFS檔案系統最早是由瑞典Axis Communications公司基於Linux2.0的核心為嵌入式系統開發的檔案系統。JFFS2是RedHat公司基於JFFS開發的快閃記憶體檔案系統，最初是針對RedHat公司的嵌入式產品eCos開發的嵌入式檔案系統，所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

　　Jffs2: 日誌快閃記憶體檔案系統版本2 (Journalling Flash FileSystem v2)

　　主要用於NOR型快閃記憶體，基於MTD驅動層，特點是：可讀寫的、支援資料壓縮的、基於雜湊表的日誌型檔案系統，並提供了崩潰/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，因為垃圾收集的關係而使jffs2的運行速度大大放慢。

　　目前jffs3正在開發中。關於jffs系列檔案系統的使用詳細文檔，可參考MTD補丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。

　　jffsx不適合用於NAND快閃記憶體主要是因為NAND快閃記憶體的容量一般較大，這樣導致jffs為維護日誌節點所佔用的記憶體空間迅速增大，另外，jffsx檔案系統在掛載時需要掃描整個FLASH的內容，以找出所有的日誌節點，建立檔案結構，對於大容量的NAND快閃記憶體會耗費大量時間。

       (2) yaffs：Yet Another Flash File System

　　yaffs/yaffs2是專為嵌入式系統使用NAND型快閃記憶體而設計的一種日誌型檔案系統。與jffs2相比，它減少了一些功能(例如不支援資料壓縮)，所以速度更快，掛載時間很短，對記憶體的佔用較小。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內建NAND晶片的驅動，並且為嵌入式系統提供了直接存取檔案系統的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的主要區別在於，前者僅支援小頁(512 Bytes) NAND快閃記憶體，後者則可支援大頁(2KB) NAND快閃記憶體。同時，yaffs2在記憶體空間佔用、記憶體回收速度、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參與開發的一種唯讀壓縮檔系統。它也基於MTD驅動程式。

　　在cramfs檔案系統中，每一頁(4KB)被單獨壓縮，可以隨機頁訪問，其壓縮比高達2:1,為嵌入式系統節省大量的Flash儲存空間，使系統可通過更低容量的FLASH儲存相同的檔案，從而降低系統成本。

　　Cramfs檔案系統以壓縮方式儲存，在運行時解壓縮，所以不支援應用程式以XIP方式運行，所有的應用程式要求被拷到RAM裡去運行，但這並不代表比Ramfs需求的RAM空間要大一點，因為Cramfs是採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，只針對目前實際讀取的部分分配記憶體，尚沒有讀取的部分不分配記憶體空間，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，其唯讀特點有利於保護檔案系統免受破壞，提高了系統的可靠性。

　　由於以上特性，Cramfs在嵌入式系統中應用廣泛。

　　但是它的唯讀屬性同時又是它的一大缺陷，使得使用者無法對其內容對進擴充。

　　Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在別的檔案系統裡，使用loopback 裝置可以把它安裝別的檔案系統裡。

　　(4) Romfs

　　傳統型的Romfs檔案系統是一種簡單的、緊湊的、唯讀檔案系統，不支援動態擦寫儲存，按順序存放資料，因而支援應用程式以XIP(eXecute In Place，片內運行)方式運行，在系統運行時，節省RAM空間。uClinux系統通常採用Romfs檔案系統。

　　其他檔案系統：fat/fat32也可用於實際嵌入式系統的擴充儲存空間(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案頭作業系統相相容。ext2也可以作為嵌入式Linux的檔案系統，不過將它用於FLASH快閃記憶體會有諸多弊端。

　　2. 基於RAM的檔案系統

　　(1) Ramdisk

　　Ramdisk是將一部分固定大小的記憶體當作分區來使用。它並非一個實際的檔案系統，而是一種將實際的檔案系統裝入記憶體的機制，並且可以作為根檔案系統。將一些經常被訪問而又不會更改的檔案(如唯讀根檔案系統)通過Ramdisk放在記憶體中，可以明顯地提高系統的效能。

　　在Linux的啟動階段，initrd提供了一套機制，可以將核心映像和根檔案系統一起載入記憶體。

　　(2)ramfs/tmpfs

　　Ramfs是Linus Torvalds開發的一種基於記憶體的檔案系統，工作於虛擬檔案系統(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，並對磁碟檔案系統進行緩衝。)

　　Ramfs/tmpfs檔案系統把所有的檔案都放在RAM中，所以讀/寫操作發生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs來儲存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儲存空間的讀寫損耗，也提高了資料讀寫速度。

　　Ramfs/tmpfs相對於傳統的Ramdisk的不同之處主要在於：不能格式化，檔案系統大小可隨所含檔案內容大小變化。

　　Tmpfs的一個缺點是當系統重新引導時會丟失所有資料。

　　3. 網路檔案系統NFS (Network File System)

　　NFS是由Sun開發並發展起來的一項在不同機器、不同作業系統之間通過網際網路共用檔案的技術。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於NFS的根檔案系統，掛載到嵌入式裝置，可以很方便地修改根檔案系統的內容。

　　以上討論的都是基於存放裝置的檔案系統(memory-based file system)，它們都可用作Linux的根檔案系統。實際上，Linux還支援邏輯的或偽檔案系統(logical or pseudo file system)，例如procfs(proc檔案系統)，用於擷取系統資訊，以及devfs(裝置檔案系統)和sysfs，用於維護裝置檔案。

 

　　附錄：NOR快閃記憶體與NAND快閃記憶體比較

NOR FLASH
 NAND FLASH
 
介面時序同SRAM,易使用
 地址/資料線複用，資料位元較窄
 
讀取速度較快
 讀取速度較慢
 
擦除速度慢，以64-128KB的塊為單位
 擦除速度快，以8－32KB的塊為單位
 
寫入速度慢(因為一般要先擦除)
 寫入速度快
 
隨機存取速度較快，支援XIP(eXecute In Place，晶片內執行)，適用於代碼儲存。在嵌入式系統中，常用於存放引導程式、根檔案系統等。
 順序讀取速度較快，隨機存取速度慢，適用於資料存放區(如大容量的多媒體應用)。在嵌入式系統中，常用於存放使用者檔案系統等。
 
單片容量較小，1－32MB
 單片容量較大，8－128MB，提高了單元密度
 
最大擦寫次數10萬次