嵌入式根文件系統(tǒng)的移植和制作詳解

一.文件系統(tǒng)簡介

理論上說一個(gè)嵌入式設(shè)備如果內(nèi)核能夠運(yùn)行起來，且不需要運(yùn)行用戶進(jìn)程的話，是不需要文件系統(tǒng)的，文件系統(tǒng)簡單的說就是一種目錄結(jié)構(gòu)，由于 linux操作系統(tǒng)的設(shè)備在系統(tǒng)中是以文件的形式存在，將這些文件進(jìn)行分類管理以及提供和內(nèi)核交互的接口，就形成一定的目錄結(jié)構(gòu)也就是文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)是為用戶反映系統(tǒng)的一種形式，為用戶提供一個(gè)檢測控制系統(tǒng)的接口。

根文件系統(tǒng)，我認(rèn)為根文件系統(tǒng)就是一種特殊的文件系統(tǒng),那么根文件系統(tǒng)和普通的文件系統(tǒng)有什么區(qū)別呢?由于根文件系統(tǒng)是內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)掛在的第一個(gè)文件系統(tǒng)，那么根文件系統(tǒng)就要包括Linux啟動(dòng)時(shí)所必須的目錄和關(guān)鍵性的文件，例如Linux啟動(dòng)時(shí)都需要有init目錄下的相關(guān)文件，在 Linux掛載分區(qū)時(shí)Linux一定會找/etc/fSTab這個(gè)掛載文件等，根文件系統(tǒng)中還包括了許多的應(yīng)用程序bin目錄等，任何包括這些Linux 系統(tǒng)啟動(dòng)所必須的文件都可以成為根文件系統(tǒng)。

Linux支持多種文件系統(tǒng)，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等，為了對各類文件系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，Linux引入了虛擬文件系統(tǒng)VFS(Virtual File System)，為各類文件系統(tǒng)提供一個(gè)統(tǒng)一的操作界面和應(yīng)用編程接口。

Linux啟動(dòng)時(shí)，第一個(gè)必須掛載的是根文件系統(tǒng);若系統(tǒng)不能從指定設(shè)備上掛載根文件系統(tǒng)，則系統(tǒng)會出錯(cuò)而退出啟動(dòng)。之后可以自動(dòng)或手動(dòng)掛載其他的文件系統(tǒng)。因此，一個(gè)系統(tǒng)中可以同時(shí)存在不同的文件系統(tǒng)。

不同的文件系統(tǒng)類型有不同的特點(diǎn)，因而根據(jù)存儲設(shè)備的硬件特性、系統(tǒng)需求等有不同的應(yīng)用場合。在嵌入式Linux應(yīng)用中，主要的存儲設(shè)備為 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存儲器)，常用的基于存儲設(shè)備的文件系統(tǒng)類型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

1. 基于Flash的文件系統(tǒng)

flash(閃存)作為嵌入式系統(tǒng)的主要存儲媒介，有其自身的特性。Flash的寫入操作只能把對應(yīng)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(yīng)存儲塊的內(nèi)容恢復(fù)為1)，因此，一般情況下，向Flash寫入內(nèi)容時(shí)，需要先擦除對應(yīng)的存儲區(qū)間，這種擦除是以塊(block)為單位進(jìn)行的。

閃存主要有NOR和NAND兩種技術(shù)。Flash存儲器的擦寫次數(shù)是有限的，NAND閃存還有特殊的硬件接口和讀寫時(shí)序。因此，必須針對Flash的硬件特性設(shè)計(jì)符合應(yīng)用要求的文件系統(tǒng);傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)如ext2等，用作Flash的文件系統(tǒng)會有諸多弊端。

一塊Flash芯片可以被劃分為多個(gè)分區(qū)，各分區(qū)可以采用不同的文件系統(tǒng);兩塊Flash芯片也可以合并為一個(gè)分區(qū)使用，采用一個(gè)文件系統(tǒng)。即文件系統(tǒng)是針對于存儲器分區(qū)而言的，而非存儲芯片。

在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存儲技術(shù)設(shè)備)為底層硬件(閃存)和上層(文件系統(tǒng))之間提供一個(gè)統(tǒng)一的抽象接口，即Flash的文件系統(tǒng)都是基于MTD驅(qū)動(dòng)層的(參見上面的Linux下的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖)。使用MTD驅(qū)動(dòng)程序的主要優(yōu)點(diǎn)在于，它是專門針對各種非易失性存儲器(以閃存為主)而設(shè)計(jì)的，因而它對Flash有更好的支持、管理和基于扇區(qū)的擦除、讀/寫操作接口。

(1) jffs2

JFFS文件系統(tǒng)最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的內(nèi)核為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的文件系統(tǒng)。JFFS2是RedHat公司基于JFFS開發(fā)的閃存文件系統(tǒng)，最初是針對RedHat公司的嵌入式產(chǎn)品eCos開發(fā)的嵌入式文件系統(tǒng)，所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

Jffs2: 日志閃存文件系統(tǒng)版本2 (Journalling Flash Filesystem v2)

主要用于NOR型閃存，基于MTD驅(qū)動(dòng)層，特點(diǎn)是：可讀寫的、支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮的、基于哈希表的日志型文件系統(tǒng)，并提供了崩潰/掉電安全保護(hù)，提供“寫平衡”支持等。缺點(diǎn)主要是當(dāng)文件系統(tǒng)已滿或接近滿時(shí)，因?yàn)槔占年P(guān)系而使jffs2的運(yùn)行速度大大放慢。

jffs不適合用于NAND閃存主要是因?yàn)镹AND閃存的容量一般較大，這樣導(dǎo)致jffs為維護(hù)日志節(jié)點(diǎn)所占用的內(nèi)存空間迅速增大，另外，jffs文件系統(tǒng)在掛載時(shí)需要掃描整個(gè)FLASH的內(nèi)容，以找出所有的日志節(jié)點(diǎn)，建立文件結(jié)構(gòu)，對于大容量的NAND閃存會耗費(fèi)大量時(shí)間。

(2) yaffs：Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2是專為嵌入式系統(tǒng)使用NAND型閃存而設(shè)計(jì)的一種日志型文件系統(tǒng)。與jffs2相比，它減少了一些功能(例如不支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮)，所以速度更快，掛載時(shí)間很短，對內(nèi)存的占用較小。另外，它還是跨平臺的文件系統(tǒng)，除了Linux和eCos，還支持WinCE, pSOS和ThreadX等。

yaffs/yaffs2自帶NAND芯片的驅(qū)動(dòng)，并且為嵌入式系統(tǒng)提供了直接訪問文件系統(tǒng)的API，用戶可以不使用Linux中的MTD與VFS，直接對文件系統(tǒng)操作。當(dāng)然，yaffs也可與MTD驅(qū)動(dòng)程序配合使用。

yaffs與yaffs2的主要區(qū)別在于，前者僅支持小頁(512 Bytes) NAND閃存，后者則可支持大頁(2KB) NAND閃存。同時(shí)，yaffs2在內(nèi)存空間占用、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(chuàng)始人 Linus Torvalds參與開發(fā)的一種只讀的壓縮文件系統(tǒng)。它也基于MTD驅(qū)動(dòng)程序。

在cramfs文件系統(tǒng)中，每一頁(4KB)被單獨(dú)壓縮，可以隨機(jī)頁訪問，其壓縮比高達(dá)2:1,為嵌入式系統(tǒng)節(jié)省大量的Flash存儲空間，使系統(tǒng)可通過更低容量的FLASH存儲相同的文件，從而降低系統(tǒng)成本。

Cramfs文件系統(tǒng)以壓縮方式存儲，在運(yùn)行時(shí)解壓縮，所以不支持應(yīng)用程序以XIP方式運(yùn)行，所有的應(yīng)用程序要求被拷到RAM里去運(yùn)行，但這并不代表比 Ramfs需求的RAM空間要大一點(diǎn)，因?yàn)镃ramfs是采用分頁壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時(shí)，不會一下子就耗用過多的內(nèi)存空間，只針對目前實(shí)際讀取的部分分配內(nèi)存，尚沒有讀取的部分不分配內(nèi)存空間，當(dāng)我們讀取的檔案不在內(nèi)存時(shí)，Cramfs文件系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算壓縮后的資料所存的位置，再即時(shí)解壓縮到 RAM中。

另外，它的速度快，效率高，其只讀的特點(diǎn)有利于保護(hù)文件系統(tǒng)免受破壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。

由于以上特性，Cramfs在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。