嵌入式設(shè)備上的文件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，各種處理器的處理能力不斷提高，手持智能終端得到極大的普及。嵌入式Linux操作系統(tǒng)在未來的手持智能設(shè)備中將扮演著非常重要的角色，使嵌入式Linux的應(yīng)用和研究不斷的深入。

由于Microsoft公司的Windows操作系統(tǒng)占據(jù)了桌面操作系統(tǒng)絕大多數(shù)份額，而手持智能設(shè)備與PC機的數(shù)據(jù)交換又在所難免，因此，絕大多數(shù)的大容量嵌入式智能設(shè)備必須采用與PC機兼容的FAT/FAT32文件系統(tǒng)。隨著便攜式硬盤的應(yīng)用，FAT32在嵌入式硬盤上已成為主流的格式。

同時，隨著CPU處理能力的提高，面向存儲的應(yīng)用需求在手持智能設(shè)備上也隨著不斷增長，文件系統(tǒng)的訪問性能將是未來的手持設(shè)備非常關(guān)鍵的因素。然而，當硬盤在手持智能設(shè)備上應(yīng)用時，由于硬盤訪問的高耗能特性，對于手持設(shè)備的設(shè)計構(gòu)成了極大的挑戰(zhàn)。而硬盤的能耗又與讀寫訪問的時間成正比，從節(jié)能的角度出發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計者同樣希望在單位時間內(nèi)讀取更多內(nèi)容，以減少硬盤訪問時間從而達到節(jié)能的目的。因此，在Linux上的FAT32的優(yōu)化實現(xiàn)成為非常迫切的需求。

1 Linux中FAT32文件系統(tǒng)讀操作分析

1.1 虛擬文件系統(tǒng)與FAT32[1-2]

Linux系統(tǒng)中的虛擬文件系統(tǒng)VFS(Virtual File System)是一個非常強大的機制，其設(shè)計思路是在內(nèi)核中提供一個文件系統(tǒng)框架，包括接口函數(shù)集、管理用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及各種緩存機制。VFS提供上下兩個方面的接口,上層接口是提供給I/O系統(tǒng)的用戶使用的，包括應(yīng)用程序和內(nèi)核的其他管理模塊，通過該接口可使I/O系統(tǒng)（文件、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等）完成如打開、關(guān)閉、讀、寫等;下層接口是提供給真實文件系統(tǒng)的，VFS支持的每個真實文件系統(tǒng)都要通過這個接口來實現(xiàn)。通過這種機制，Linux將系統(tǒng)存在的各種真實文件系統(tǒng)(如EXT2/EXT3、FAT/FAT32、JFFS/JFFS2等)以及設(shè)備文件都統(tǒng)一到一種操作中，以此來實現(xiàn)系統(tǒng)的管理與調(diào)度。

FAT(File Allocation Table)文件系統(tǒng)是Microsoft公司推出的廣泛使用在Dos、Windows 9X、Windows 2000以及Windows XP系統(tǒng)中。由于Windows系列的操作系統(tǒng)的普及，其FAT文件系統(tǒng)被人們所廣泛熟悉和應(yīng)用。當前針對大容量硬盤，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)占據(jù)了主要的地位。在FAT32文件系統(tǒng)中，以下三個概念與文件的組織密切相關(guān)：

扇區(qū)(Sector): 數(shù)據(jù)存取的最小物理單位。
簇(Cluster):文件最小分配單位，與分區(qū)大小、文件系統(tǒng)相關(guān)。
邏輯扇區(qū)(Logic Sector):在文件系統(tǒng)實現(xiàn)中，為了優(yōu)化和統(tǒng)一設(shè)計所定義的讀寫長度。

1.2 文件讀在內(nèi)核中的實現(xiàn)

以讀操作為例，通過Linux系統(tǒng)中VFS的作用，從用戶空間對FAT32的操作，系統(tǒng)可以抽象成從fread( )映射到內(nèi)核函數(shù)do_generic_file_read( )來完成具體的文件讀操作。在文件/μCLinux/linux-2.4.x/mmnommu/filemap.c中存在這個接口實現(xiàn)的原型。雖然這類接口并不是基本的，但正如大多數(shù)文件系統(tǒng)的實現(xiàn)，F(xiàn)AT32就是通過這類接口來實現(xiàn)文件的各種操作。

圖1描述了函數(shù)do_generic_file_read( )的實現(xiàn)原理。從函數(shù)入口處獲得目標內(nèi)容的文件描述指針，從而獲得文件入口。通過分析描述符inode以及當前狀態(tài)，系統(tǒng)獲得預(yù)讀read_ahead的大小，進行相應(yīng)的計算，獲得所需要獲取的目標內(nèi)容Page頁索引以及offset偏移量。然后發(fā)起預(yù)讀的指令，并等待獲得相應(yīng)的Page內(nèi)容后，將其拷貝到buffer中進行組織，并提供上層程序磁盤文件在內(nèi)存中的映像。

1.3 文件預(yù)讀機制與Page讀[1-4]

在do_generic_file_read的實現(xiàn)中，磁盤讀動作實際是在預(yù)讀read_ahead中完成的，即預(yù)讀機制。這是由于Linux系統(tǒng)為了獲得更高的性能以及充分利用CPU處理能力，VFS設(shè)計中做了一層buffer/cache緩沖。當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)buffer/cache中有即將要訪問的內(nèi)容缺失時，系統(tǒng)將發(fā)起一次預(yù)讀請求。下層文件系統(tǒng)根據(jù)尋找CPU以及總線的空閑狀態(tài)，執(zhí)行具體的預(yù)讀機制。這樣,上下層構(gòu)成一個異步過程來完成系統(tǒng)的任務(wù)，以達到充分利用系統(tǒng)資源的目的。

在考察read_ahead( )的實現(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)，實際上read_ahead( )函數(shù)的主要功能是根據(jù)實際需求不斷調(diào)用文件系統(tǒng)中的readpage( )函數(shù)來完成的。這是由于Linux的內(nèi)存管理都是按照頁(Page)模式進行組織的。也就是說,每次從具體的對象數(shù)據(jù)存儲設(shè)備(如硬盤)上讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)時，將嚴格按照page的大小進行讀取動作。根據(jù)一般定義，Page采用4 096B為單位。在Linux上的FAT32實現(xiàn)中，將由fat_readpage( )具體應(yīng)用實例來實現(xiàn)這個功能。

1.4 Block讀實現(xiàn)[3-4]

由于不同的硬件設(shè)備存在不同的物理結(jié)構(gòu)，在文件系統(tǒng)格式化時，最基本的存儲單元Cluster的大小是不同的。如通常能夠見到的有512B、1KB等。也就是說，實際文件的存儲是按照不同的目標存儲設(shè)備劃分為不同的塊來存儲的。在文件系統(tǒng)實現(xiàn)中，為了兼容不同的目標系統(tǒng)與硬件設(shè)備，在FAT文件系統(tǒng)中的Page讀動作的實現(xiàn)中，引入了一個Block概念，即根據(jù)具體文件描述，按照Block大小完成整個Page的讀命令。
在μCLinux/linux-2.4.x/mmnommu/filemap.c文件中，fat_readpage( )的實現(xiàn)就是根據(jù)上述目標進行相應(yīng)設(shè)計的，即通過inode獲取相應(yīng)文件的具體存儲信息，然后將Page讀轉(zhuǎn)化為按照Block塊方式進行讀操作。也就是通過反復(fù)調(diào)用block_read_full_page( )函數(shù)來滿足最后Page內(nèi)容的獲取。

函數(shù)block_read_full_page( )的具體實現(xiàn)過程如圖2所示。系統(tǒng)根據(jù)傳入的參數(shù)，獲得Block大小，生成相應(yīng)的緩存空間，然后反復(fù)發(fā)出Block讀的Request，直到完成整個Page的讀任務(wù)。

如圖2所示Block_read_full_page( )的實現(xiàn)機理中，最重要的是根據(jù)系統(tǒng)狀況，經(jīng)過計算確切地獲得將由多少個Block來組成一個Page。

在Linux實現(xiàn)中，Block大小決定于文件描述符inode中的i_blkbits域。在Linux中的FAT32文件系統(tǒng)設(shè)計中，inode->i_blkbits是由FAT32系統(tǒng)中的logic_sector_size決定的，即用/linux-2.4.x/fs/fat/inode.c來實現(xiàn)從FAT32文件系統(tǒng)映射到Linux的inode各項定義。