新手學(xué)堂：嵌入式Linux文件系統(tǒng)詳細(xì)介紹

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(duì)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下的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

Linux下的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(huì)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(chǔ)設(shè)備的硬件特性、系統(tǒng)需求等有不同的應(yīng)用場(chǎng)合。在嵌入式Linux應(yīng)用中，主要的存儲(chǔ)設(shè)備為 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存儲(chǔ)器)，常用的基于存儲(chǔ)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(chǔ)媒介，有其自身的特性。Flash的寫入操作只能把對(duì)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(duì)應(yīng)存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)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)(簡(jiǎn)單比較見附錄)。Flash存儲(chǔ)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(duì)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(huì)有諸多弊端。

在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存儲(chǔ)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(duì)各種非易失性存儲(chǔ)器(以閃存為主)而設(shè)計(jì)的，因而它對(duì)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(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(duì)于存儲(chǔ)器分區(qū)而言的，而非存儲(chǔ)芯片。

(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(duì)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。

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(xì)文檔，可參考MTD補(bǔ)丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。

jffsx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，jffsx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(duì)于大容量的NAND閃存會(huì)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(duì)內(nèi)存的占用較小。另外，它還是跨平臺(tái)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(duì)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(yè)(512 Bytes) NAND閃存，后者則可支持大頁(yè)(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(yè)(4KB)被單獨(dú)壓縮，可以隨機(jī)頁(yè)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(chǔ)空間，使系統(tǒng)可通過更低容量的FLASH存儲(chǔ)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(chǔ)，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(yè)壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時(shí)，不會(huì)一下子就耗用過多的內(nèi)存空間，只針對(duì)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。

但是它的只讀屬性同時(shí)又是它的一大缺陷，使得用戶無(wú)法對(duì)其內(nèi)容對(duì)進(jìn)擴(kuò)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(jiǎn)單的、緊湊的、只讀的文件系統(tǒng)，不支持動(dòng)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(yùn)行)方式運(yùn)行，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，節(jié)省RAM空間。uClinux系統(tǒng)通常采用Romfs文件系統(tǒng)。

其他文件系統(tǒng)：fat/fat32也可用于實(shí)際嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)展存儲(chǔ)器(例如PDA, Smartphone, 數(shù)碼相機(jī)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(huì)有諸多弊端。

2. 基于RAM的文件系統(tǒng)

(1) Ramdisk

Ramdisk是將一部分固定大小的內(nèi)存當(dāng)作分區(qū)來(lái)使用。它并非一個(gè)實(shí)際的文件系統(tǒng)，而是一種將實(shí)際的文件系統(tǒng)裝入內(nèi)存的機(jī)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(huì)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(dòng)階段，initrd提供了一套機(jī)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(gè)，在創(chuàng)建時(shí)可以指定其最大能使用的內(nèi)存大小。 (實(shí)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(duì)磁盤文件系統(tǒng)進(jìn)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(lái)存儲(chǔ)一些臨時(shí)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(duì)Flash存儲(chǔ)器的讀寫損耗，也提高了數(shù)據(jù)讀寫速度。

Ramfs/tmpfs相對(duì)于傳統(tǒng)的Ramdisk的不同之處主要在于：不能格式化，文件系統(tǒng)大小可隨所含文件內(nèi)容大小變化。

Tmpfs的一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)重新引導(dǎo)時(shí)會(huì)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(lái)的一項(xiàng)在不同機(jī)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(jī)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(chǔ)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(shí)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(hù)設(shè)備文件。

附錄：NOR閃存與NAND閃存比較