在Linux中實現大容量 NAND Flash的YAFFS2檔案系統

分析了嵌入式環境中YAFFS/YAFFS2檔案系統的優點，提出YAFFS2不僅支援小容量的NAND flash，對大容量NAND flash更具有優勢。並介紹了YAFFS/YAFFS2檔案系統結構。著重將YAFFS2檔案系統在嵌入式Linux系統中的實現過程包括配置、編譯以及測試整個完整過程作了詳細的論述。
關鍵詞 NAND flash，YAFFS/YAFFS2，嵌入式Linux系統
隨著嵌入式系統在消費電子、航空航天、汽車電子、醫學保健、網路通訊、工業控制等各個領域的廣泛應用，嵌入式系統中的資料存放區和管理已經成為一個重要的研究課題。Flash儲存空間具有存取速度快、容量大、成本低等很多優點，廣泛用在嵌入式系統中做儲存空間件。目前，市場上Flash儲存空間主要有NOR(或非)和NAND(與非)兩種類型。針對NOR Flash專門設計的檔案系統JFFS/JFFS2(Journaling Flash File System)在嵌入式系統中已得到廣泛的應用；隨著NAND作為大型存放區介質的廣泛應用，專門針對NAND flash特點編寫的記錄檔系統YAFFS/YAFFS2(Yet Another Flash File System)正逐漸被應用到嵌入式系統中。
一、NAND Flash簡介
NOR 和NAND是現在市場上兩種主要的非易失性快閃記憶體技術。Intel 公司於1988年首先開發出NOR Flash技術，NOR的傳輸效率較高，在1~4MB的小容量時有明顯的成本優勢，主要應用在代碼儲存介質中；NAND則是高密度資料存放區的理想解決方案，其容量可達1GB以上，並且寫入和擦除速度很快，更適合於資料存放區。NAND Flash的儲存單元為頁和塊，一般來說，該晶片的一頁大小為512位元組(簡稱小頁)，依次分為2個256位元組的主要資料區，最後是16位元組的備用空間；而128MB以上的的晶片使用大小為2K的頁(即大頁)。若干頁組成一個塊，通常為32頁，整個存放裝置又由若干塊組成，這更類似於硬碟管理的操作，因此可以取代硬碟或其他塊裝置。NAND Flash跟NOR Flash相比，寫入和擦除速度快，但大多數寫入操作需要先進行擦除操作， 擦除操作以塊為單位進行，而讀寫操作通常以頁為單位進行， NAND器件中的壞塊是隨機分布的所以不是完全可靠，每塊晶片出廠時都有一定比例的壞塊存在，每個塊的最大擦寫次數是一百萬次甚至千萬次。此外， NAND因為有特殊的時序，訪問起來要複雜一些。向NAND器件寫入資訊需要相當的技巧不能向壞塊寫入資料，也不能嘗試擦除壞塊。
二、 YAFFS/YAFFS2檔案系統
1． NAND Flash簡介
YAFFS/YAFFS2是效果很理想的NAND Flash上的檔案系統，是專門為NAND Flash設計的嵌入式檔案系統，適用於大容量的存放裝置。YAFFS檔案系統分為檔案系統管理層介面、YAFFS內部實現層和NAND介面層，這簡化了與系統的介面設計，便於整合到系統中去。它為記錄檔系統提供了損耗平衡和掉電保護，保證資料在系統對檔案系統修改的過程中發生意外而不被破壞。但YAFFS檔案系統不支援資料壓縮，不支援大容量的NAND Flash，為此 YAFFS2檔案系統被開發了出來。YAFFS2包括了YAFFS 的代碼，它利用YAFFS 實現對小頁Flash的支援，用YAFFS2實現對大頁的支援。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。
YAFFS中用資料結構來描述每個擦除塊的狀態。該資料結構記錄了塊狀態，並用一個32位的位元影像表示塊內各個頁面的使用方式。在YAFFS中，有且僅有一個塊處於“當前分配”狀態。新頁面從當前進行分配的塊中順序進行分配，若當前塊已滿，則順序尋找下一個空閑塊。
YAFFS/YAFFS2採用一種多策略混合的記憶體回收演算法，將貪心策略和隨機播放策略按一定比例混合使用：當滿足特定的小機率條件時，記憶體回收行程會試圖隨機播放一個可回收的頁面；否則，使用貪心策略回收最“髒”的塊。這種多策略混合法能夠有效地改善貪心策略造成的不均；通過不同的混合比例，控制損耗平均和系統開銷之間的平衡。由於NAND的擦除很快，YAFFS將垃圾收集的檢查放在寫入新頁面時進行，而不是採用JFFS那樣的後台線程方式，從而簡化了設計。
2．檔案系統結構
YAFFS/ YAFFS2根據NAND快閃記憶體以頁為單位存取的特點，將檔案組織成固定大小(512位元組/2K)的資料區段。每個檔案都有一個檔案頭(儲存了檔案的模式、所有者id、組id、長度、檔案名稱等資訊)，還有一個專門頁存放。資料區段都組織成樹形結構，這便於提高檔案資料區塊的尋找速度。YAFFS/ YAFFS2在檔案進行改寫時總是先寫入新的資料區塊，然後將舊的資料區塊從檔案中刪除。YAFFS/ YAFFS2利用NAND快閃記憶體提供的每個頁面16位元組的備用空間來存放ECC(Error Correction Code)和檔案系統的組織資訊，不僅能夠實現錯誤偵測和壞塊處理，也能夠提高檔案系統的載入速度。
YAFFS/ YAFFS2參考了SmartMedia的設定，利用NAND快閃記憶體提供的16位元組頁面備用空間中的6個位元組作頁面資料的ECC，2個位元組分別用作塊狀態字和資料狀態字，其餘的8位元組(64位)用來存放檔案系統的組織資訊，即中繼資料。由於檔案系統的基主要組織資訊儲存在頁面的備份空間中，因此，在檔案系統載入時只需要掃描各個頁面的備份空間，即可建立起整個檔案系統的結構，而不需要像JFFS那樣掃描整個介質，從而大大加快了檔案系統的載入速度。
三、具體實現
1．開發環境
本移植是在REDHAT9.0純Linux開發環境中進行的，採用宿主機加目標板的開發模式。