Linux嵌入式文件系統(tǒng)橫向?qū)Ρ?/h1>
其實,每一種Linux嵌入式系統(tǒng)文件系統(tǒng)都有其不同的作用和特點,特別是系統(tǒng)文件,它承載著系統(tǒng)是否可以安全運行,如果出現(xiàn)錯誤,那么將導(dǎo)致系統(tǒng)退出,嚴重影響我們的使用。嵌入式系統(tǒng)文件系統(tǒng)比較jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs,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)提供一個統(tǒng)一的操作界面和應(yīng)用編程接口。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/150997.htm Linux啟動時,第一個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)會出錯而退出啟動。之后可以自動或手動掛載其他的文件系統(tǒng)。因此,一個系統(tǒng)中可以同時存在不同的文件系統(tǒng)。
不同的嵌入式系統(tǒng)文件系統(tǒng)類型有不同的特點,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Linux嵌入式文件系統(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,需要先擦除對應(yīng)的存儲區(qū)間,這種擦除是以塊(block)為單位進行的。
閃存主要有NOR和NAND兩種技術(shù)(簡單比較見附錄)。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序。因此,必須針對Flash的硬件特性設(shè)計符合應(yīng)用要求的文件系統(tǒng);傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)文件系統(tǒng)如ext2等,用作Flash的文件系統(tǒng)會有諸多弊端。
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))之間提供一個統(tǒng)一的抽象接口,即Flash的文件系統(tǒng)都是基于MTD驅(qū)動層的(參見上面的Linux下的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖)。使用MTD驅(qū)動程序的主要優(yōu)點在于,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。順便一提,一塊Flash芯片可以被劃分為多個分區(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分區(qū)使用,采用一個文件系統(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。
(1) jffs2
JFFS嵌入式系統(tǒng)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: 日志閃存嵌入式系統(tǒng)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)動層,特點是:可讀寫的、支持數(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,提供“寫平衡”支持等。缺點主要是當文件系統(tǒng)已滿或接近滿時,因為垃圾收集的關(guān)系而使jffs2的運行速度大大放慢。目前jffs3正在開發(fā)中。關(guān)于jffs系列文件系統(tǒng)的使用詳細文檔,可參考MTD補丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。
jffsx不適合用于NAND閃存主要是因為NAND閃存的容量一般較大,這樣導(dǎo)致jffs為維護日志節(jié)點所占用的內(nèi)存空間迅速增大,另外,jffsx文件系統(tǒng)在掛載時需要掃描整個FLASH的內(nèi)容,以找出所有的日志節(jié)點,建立文件結(jié)構(gòu),對于大容量的NAND閃存會耗費大量時間。
(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(例如不支持數(shù)據(jù)壓縮),所以速度更快,掛載時間很短,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,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。當然,yaffs也可與MTD驅(qū)動程序配合使用。
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,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)動程序。在cramfs文件系統(tǒng)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(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,在運行時解壓縮,所以不支持應(yīng)用程序以XIP方式運行,所有的應(yīng)用程序要求被拷到RAM里去運行,但這并不代表比Ramfs需求的RAM空間要大一點,因為Cramfs是采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內(nèi)存空間,只針對目前實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,當我們讀取的檔案不在內(nèi)存時,Cramfs文件系統(tǒng)自動計算壓縮后的資料所存的位置,再即時解壓縮到RAM中。另外,它的速度快,效率高,其只讀的特點有利于保護文件系統(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。但是它的只讀屬性同時又是它的一大缺陷,使得用戶無法對其內(nèi)容對進擴充。Cramfs映像通常是放在Flash中,但是也能放在別的文件系統(tǒng)里,使用loopback 設(shè)備可以把它安裝別的文件系統(tǒng)里。
(4) Romfs
傳統(tǒng)型的Romfs文件系統(tǒng)是一種簡單的、緊湊的、只讀的文件系統(tǒng),不支持動態(tài)擦寫保存,按順序存放數(shù)據(jù),因而支持應(yīng)用程序以 XIP(eXecute In Place,片內(nèi)運行)方式運行,在系統(tǒng)運行時,節(jié)省RAM空間。uClinux系統(tǒng)通常采用Romfs文件系統(tǒng)。其他嵌入式系統(tǒng)文件:fat/fat32也可用于實際嵌入式系統(tǒng)的擴展存儲器(例如PDA, Smartphone, 數(shù)碼相機等的SD卡),這主要是為了更好的與最流行的Windows桌面操作系統(tǒng)相兼容。ext2也可以作為嵌入式Linux的文件系統(tǒng),不過將它用于 FLASH閃存會有諸多弊端。
2. 基于RAM的Linux嵌入式文件系統(tǒng)
(1) Ramdisk
Ramdisk是將一部分固定大小的內(nèi)存當作分區(qū)來使用。它并非一個實際的嵌入式系統(tǒng)文件,而是一種將實際的文件系統(tǒng)裝入內(nèi)存的機制,并且可以作為根文件系統(tǒng)。將一些經(jīng)常被訪問而又不會更改的文件(如只讀的根文件系統(tǒng))通過Ramdisk放在內(nèi)存中,可以明顯地提高系統(tǒng)的性能。在Linux的啟動階段,initrd提供了一套機制,可以將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)一起載入內(nèi)存。
(2)ramfs/tmpfs
Ramfs是Linus Torvalds開發(fā)的一種基于內(nèi)存的文件系統(tǒng),工作于虛擬文件系統(tǒng)(VFS)層,不能格式化,可以創(chuàng)建多個,在創(chuàng)建時可以指定其最大能使用的內(nèi)存大小。(實際上,VFS本質(zhì)上可看成一種內(nèi)存文件系統(tǒng),它統(tǒng)一了文件在內(nèi)核中的表示方式,并對磁盤文件系統(tǒng)進行緩沖。)
Ramfs/tmpfs文件系統(tǒng)把所有的文件都放在RAM中,所以讀/寫操作發(fā)生在RAM中,可以用ramfs/tmpfs來存儲一些臨時性或經(jīng)常要修改的數(shù)據(jù),例如/tmp和/var目錄,這樣既避免了對Flash存儲器的讀寫損耗,也提高了數(shù)據(jù)讀寫速度。Ramfs/tmpfs相對于傳統(tǒng)的Ramdisk的不同之處主要在于:不能格式化,嵌入式系統(tǒng)文件大小可隨所含文件內(nèi)容大小變化。Tmpfs的一個缺點是當系統(tǒng)重新引導(dǎo)時會丟失所有數(shù)據(jù)。
3. 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS (Network File System)
NFS是由Sun開發(fā)并發(fā)展起來的一項在不同機器、不同操作系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)共享文件的技術(shù)。在嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試階段,可以利用該技術(shù)在主機上建立基于NFS的根文件系統(tǒng),掛載到嵌入式設(shè)備,可以很方便地修改根文件系統(tǒng)的內(nèi)容。以上討論的都是基于存儲設(shè)備的文件系統(tǒng)(memory-based file system),它們都可用作Linux的根文件系統(tǒng)。實際上,Linux還支持邏輯的或偽文件系統(tǒng)(logical or pseudo file system),例如procfs(proc文件系統(tǒng)),用于獲取系統(tǒng)信息,以及devfs(設(shè)備文件系統(tǒng))和sysfs,用于維護設(shè)備文件。
其實,每一種Linux嵌入式系統(tǒng)文件系統(tǒng)都有其不同的作用和特點,特別是系統(tǒng)文件,它承載著系統(tǒng)是否可以安全運行,如果出現(xiàn)錯誤,那么將導(dǎo)致系統(tǒng)退出,嚴重影響我們的使用。嵌入式系統(tǒng)文件系統(tǒng)比較jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs,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)提供一個統(tǒng)一的操作界面和應(yīng)用編程接口。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/150997.htmLinux啟動時,第一個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)會出錯而退出啟動。之后可以自動或手動掛載其他的文件系統(tǒng)。因此,一個系統(tǒng)中可以同時存在不同的文件系統(tǒng)。
不同的嵌入式系統(tǒng)文件系統(tǒng)類型有不同的特點,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Linux嵌入式文件系統(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,需要先擦除對應(yīng)的存儲區(qū)間,這種擦除是以塊(block)為單位進行的。
閃存主要有NOR和NAND兩種技術(shù)(簡單比較見附錄)。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序。因此,必須針對Flash的硬件特性設(shè)計符合應(yīng)用要求的文件系統(tǒng);傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)文件系統(tǒng)如ext2等,用作Flash的文件系統(tǒng)會有諸多弊端。
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))之間提供一個統(tǒng)一的抽象接口,即Flash的文件系統(tǒng)都是基于MTD驅(qū)動層的(參見上面的Linux下的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖)。使用MTD驅(qū)動程序的主要優(yōu)點在于,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。順便一提,一塊Flash芯片可以被劃分為多個分區(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分區(qū)使用,采用一個文件系統(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。
(1) jffs2
JFFS嵌入式系統(tǒng)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: 日志閃存嵌入式系統(tǒng)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)動層,特點是:可讀寫的、支持數(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,提供“寫平衡”支持等。缺點主要是當文件系統(tǒng)已滿或接近滿時,因為垃圾收集的關(guān)系而使jffs2的運行速度大大放慢。目前jffs3正在開發(fā)中。關(guān)于jffs系列文件系統(tǒng)的使用詳細文檔,可參考MTD補丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。
jffsx不適合用于NAND閃存主要是因為NAND閃存的容量一般較大,這樣導(dǎo)致jffs為維護日志節(jié)點所占用的內(nèi)存空間迅速增大,另外,jffsx文件系統(tǒng)在掛載時需要掃描整個FLASH的內(nèi)容,以找出所有的日志節(jié)點,建立文件結(jié)構(gòu),對于大容量的NAND閃存會耗費大量時間。
(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(例如不支持數(shù)據(jù)壓縮),所以速度更快,掛載時間很短,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,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。當然,yaffs也可與MTD驅(qū)動程序配合使用。
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,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)動程序。在cramfs文件系統(tǒng)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(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,在運行時解壓縮,所以不支持應(yīng)用程序以XIP方式運行,所有的應(yīng)用程序要求被拷到RAM里去運行,但這并不代表比Ramfs需求的RAM空間要大一點,因為Cramfs是采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內(nèi)存空間,只針對目前實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,當我們讀取的檔案不在內(nèi)存時,Cramfs文件系統(tǒng)自動計算壓縮后的資料所存的位置,再即時解壓縮到RAM中。另外,它的速度快,效率高,其只讀的特點有利于保護文件系統(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。但是它的只讀屬性同時又是它的一大缺陷,使得用戶無法對其內(nèi)容對進擴充。Cramfs映像通常是放在Flash中,但是也能放在別的文件系統(tǒng)里,使用loopback 設(shè)備可以把它安裝別的文件系統(tǒng)里。
(4) Romfs
傳統(tǒng)型的Romfs文件系統(tǒng)是一種簡單的、緊湊的、只讀的文件系統(tǒng),不支持動態(tài)擦寫保存,按順序存放數(shù)據(jù),因而支持應(yīng)用程序以 XIP(eXecute In Place,片內(nèi)運行)方式運行,在系統(tǒng)運行時,節(jié)省RAM空間。uClinux系統(tǒng)通常采用Romfs文件系統(tǒng)。其他嵌入式系統(tǒng)文件:fat/fat32也可用于實際嵌入式系統(tǒng)的擴展存儲器(例如PDA, Smartphone, 數(shù)碼相機等的SD卡),這主要是為了更好的與最流行的Windows桌面操作系統(tǒng)相兼容。ext2也可以作為嵌入式Linux的文件系統(tǒng),不過將它用于 FLASH閃存會有諸多弊端。
2. 基于RAM的Linux嵌入式文件系統(tǒng)
(1) Ramdisk
Ramdisk是將一部分固定大小的內(nèi)存當作分區(qū)來使用。它并非一個實際的嵌入式系統(tǒng)文件,而是一種將實際的文件系統(tǒng)裝入內(nèi)存的機制,并且可以作為根文件系統(tǒng)。將一些經(jīng)常被訪問而又不會更改的文件(如只讀的根文件系統(tǒng))通過Ramdisk放在內(nèi)存中,可以明顯地提高系統(tǒng)的性能。在Linux的啟動階段,initrd提供了一套機制,可以將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)一起載入內(nèi)存。
(2)ramfs/tmpfs
Ramfs是Linus Torvalds開發(fā)的一種基于內(nèi)存的文件系統(tǒng),工作于虛擬文件系統(tǒng)(VFS)層,不能格式化,可以創(chuàng)建多個,在創(chuàng)建時可以指定其最大能使用的內(nèi)存大小。(實際上,VFS本質(zhì)上可看成一種內(nèi)存文件系統(tǒng),它統(tǒng)一了文件在內(nèi)核中的表示方式,并對磁盤文件系統(tǒng)進行緩沖。)
Ramfs/tmpfs文件系統(tǒng)把所有的文件都放在RAM中,所以讀/寫操作發(fā)生在RAM中,可以用ramfs/tmpfs來存儲一些臨時性或經(jīng)常要修改的數(shù)據(jù),例如/tmp和/var目錄,這樣既避免了對Flash存儲器的讀寫損耗,也提高了數(shù)據(jù)讀寫速度。Ramfs/tmpfs相對于傳統(tǒng)的Ramdisk的不同之處主要在于:不能格式化,嵌入式系統(tǒng)文件大小可隨所含文件內(nèi)容大小變化。Tmpfs的一個缺點是當系統(tǒng)重新引導(dǎo)時會丟失所有數(shù)據(jù)。
3. 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS (Network File System)
NFS是由Sun開發(fā)并發(fā)展起來的一項在不同機器、不同操作系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)共享文件的技術(shù)。在嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試階段,可以利用該技術(shù)在主機上建立基于NFS的根文件系統(tǒng),掛載到嵌入式設(shè)備,可以很方便地修改根文件系統(tǒng)的內(nèi)容。以上討論的都是基于存儲設(shè)備的文件系統(tǒng)(memory-based file system),它們都可用作Linux的根文件系統(tǒng)。實際上,Linux還支持邏輯的或偽文件系統(tǒng)(logical or pseudo file system),例如procfs(proc文件系統(tǒng)),用于獲取系統(tǒng)信息,以及devfs(設(shè)備文件系統(tǒng))和sysfs,用于維護設(shè)備文件。
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