嵌入式文件系统基础知识

嵌入式文件系统基础知识

对于嵌入式系统来说，除了一个嵌入式内核之外，还需要一个嵌入式文件系统来管理和存储数据和程序。目前，嵌入式 Linux 操作系统支持很多种文件系统，具体使用哪种文件系统，需要根据存储介质、访问速度、存储容量等来选择。

嵌入式文件系统

Linux 支持多种文件系统，包括 ext2、ext3、ext4、vfat、ntfs、iso9660、jffs、yaffs、romfs、cramfs 和 nfs 等等。为了对各类文件系统进行统一管理，Linux 引入了虚拟文件系统 VFS，为各类文件系统提供统一的操作和 API。 　　Linux 文件系统结构由 4 层组成，分别是用户层、内核层、驱动层和硬件层。用户层为用户提供一个操作接口，内核层实现了各种文件系统，驱动层是块设备的驱动程序，硬件层是嵌入式系统使用的几种存储器。 　　在 Linux 文件系统结构中，内核层的文件系统实现是必须的。Linux 启动时，第一个必须挂载的是根文件系统，如果系统不能从指定的设备上挂载根文件系统，那么系统会出错从而退出启动。当根文件系统挂载成功后，才可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此，一个系统中可以同时存在多个不同类型的文件系统。 　　不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据存储设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在嵌入式 Linux 应用中，主要的存储设备为 RAM（DRAM，SDRAM）和 ROM（常采用 Flash 存储器），常用的基于 Flash 存储设备的文件系统类型包括 jffs2、yaffs、cramfs、romfs、ramdisk 和 ramfs/tmpfs 等。 　　（后面补个图片）

嵌入式系统的存储介质

Linux 操作系统支持大量的文件系统，在嵌入式领域，使用哪种文件系统需要根据存储芯片的类型来决定。目前市场上，嵌入式系统主流的两种存储介质是 NOR 和 NAND Flash。Intel 公司与 1988 年首先开发了 NOR Flash 存储器，其特点是芯片内执行（XIP，eXecute In Place），这样应用程序可以直接在 Flash 闪存内运行，不必再把代码读到系统 RAM 中。NOR 的传输效率很高，在 1MB~4MB 的小容量时具有很高的成本效益，但缺点是写入和擦除速度很慢，对性能有较大的影响。 　　1989年，日本东芝公司开发了 NAND Flash 存储器。NAND Flash 与 NOR Flash 相比，NAND Flash 能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，同时写入和擦除的速度也很快。下面是两种存储器的比较：

总的来说，NOR Flash 比较适合存储代码，其容量较小（一般小于 32 MB），而且价格较高。NAND Flash 容量较大，可达1GB以上，价格也相对便宜，比较适合存放数据。一般来说，128MB 以下的 NAND Flash 芯片的一页大小为 528 Bytes，另外每页有 16 Bytes 的备用空间，用来存储 ECC 校验码或者坏块标志等信息。若干页组成一个块（Block），其大小通常为 32KB 或 64KB。

JFFS 文件系统

瑞典的 Axis Communications 公司基于 Linux 2.0 的内核，为嵌入式操作系统开发了 JFFS 文件系统。其升级版本 JFFS2 是 RedHat 公司基于 JFFS 开发的闪存文件系统，最初是针对 RedHat 公司的嵌入式产品 eCos 开发的嵌入式文件系统，所以 JFFS2 也可以用在 Linux 和 uCLinux 等操作系统中。JFFS 是 Journalling Flash File System 的缩写，即闪存设备日志型文件系统。 　　JFFS 文件系统主要用于 NOR 型 Flash 存储器，其基于 MTD 驱动层。这种文件系统的特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃/掉电安全保护，提供“写平衡”支持等。缺点主要是当文件系统已满或接近满时，因为垃圾收集的关系而使 jffs2 的运行速度大大放慢。 　　JFFS 文件系统不适合用于 NAND 型 Flash 存储器。主要是因为 NAND 闪存的容量一般较大，这样导致 JFFS 为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大。另外，JFFS 文件系统在挂载时需要扫描整个 Flash 的内容，以找出所有的日志节点，建立文件结构，对于大容量的 NAND Flash 会耗费大量时间。

YAFFS 文件系统

YAFFS 是第一个专门为 NAND Flash 存储器设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备；并且是在 GPL（General Public License）协议下发布的，可在其网站免费获得源代码。 　　YAFFS 文件系统有4个优点，分别是：

速度快占用内存少不支持压缩只支持 NAND Flash 存储器

在 YAFFS 文件系统中，文件是以固定大小的数据块进行存储的。块的大小可以是 512 Bytes、1024 Bytes 或者 2048 Bytes。每个文件（包括目录）都是由一个数据块头和数据组成。数据块头中保存了 ECC 校验码和文件系统的组织信息，用于错误检测和坏块处理。YAFFS 文件系统充分考虑了 NAND Flash 的特点，把每个文件的数据块头存储在 NAND Flash 的 16 Bytes 备用空间中。 　　当文件系统被挂载时，只需扫描存储器的备用空间就能将文件系统信息读入内存，并且驻留在内存中，不仅加快了文件系统的加载速度，也提高了文件的访问速度，但是增加了内存的消耗。 　　选择哪一种文件系统，需要根据 Flash 存储器的类型来确定。Flash 存储器类型主要有 NOR 和 NAND Flash。根据存储器类型，NOR Flash 存储器比较适用于 JFFS，而 NAND Flash 存储器比较适用于 YAFFS。

文件系统配置

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