玩轉Linux，先把文件系統(tǒng)搞懂

　　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)一的操作界面和應用編程接口。

　　Linux 下的文件系統(tǒng)結構如下：

　　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)。

　　不同的文件系統(tǒng)類型有不同的特點，因而根據(jù) 存儲 設備的硬件特性、系統(tǒng)需求等有不同的應用場合。在嵌入式 Linux 應用中，主要的 存儲 設備為 RAM(DRAM, SDRAM) 和 ROM( 常采用 FLASH 存儲器 ) ，常用的基于存儲設備的文件系統(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 就是把對應存儲塊的內(nèi)容恢復為 1) ，因此，一般情況下，向 Flash 寫入內(nèi)容時，需要先擦除對應的存儲區(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 ( 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 的硬件特性設計符合應用要求的文件系統(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。

　　在嵌入式 Linux 下， MTD(Memory Technology Device, 存儲技術設備 ) 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 驅動層的 ( 參見上面的 Linux 下的文件系統(tǒng)結構圖 ) 。使用 MTD 驅動程序的主要優(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 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，因為垃圾收集的關系而使 jffs2 的運行速度大大放慢。

　　目前 jffs3 正在開發(fā)中。關于 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，建立文件結構，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，所以不支持應用程序以 XIP 方式運行，所有的應用程序要求被拷到 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。 uC linux 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。它并非一個實際的文件系統(tǒng)，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，文件系統(tǒng)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)重新引導時會丟失所有數(shù)據(jù)。

　　3. 網(wǎng)絡文件系統(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)絡共享文件的技術。在嵌入式 Linux 系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試階段，可以利用該技術在主機上建立基于 NFS 的根文件系統(tǒng)，掛載到嵌入式設備，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( 設備文件系統(tǒng) ) 和 sysfs ，用于維護設備文件。

　　附錄： NOR 閃存與 NAND 閃存比較