嵌入式設備上的文件系統(tǒng)優(yōu)化設計

隨著芯片技術的發(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備中將扮演著非常重要的角色，使嵌入式Linux的應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，面向存儲的應用需求在手持智能設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備非常關鍵的因素。然而，當硬盤在手持智能設備上應用時，由于硬盤訪問的高耗能特性，對于手持設備的設計構成了極大的挑戰(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)結構以及各種緩存機制。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、設備、網(wǎng)絡等）完成如打開、關閉、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：

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。
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)獲得預讀read_ahead的大小，進行相應的計算，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)起預讀的指令，并等待獲得相應的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讀read_ahead中完成的，即預讀機制。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)行具體的預讀機制。這樣,上下層構成一個異步過程來完成系統(tǒng)的任務，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)存儲設備(如硬盤)上讀取相應的數(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]

由于不同的硬件設備存在不同的物理結構，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)上述目標進行相應設計的，即通過inode獲取相應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，生成相應的緩存空間，然后反復發(fā)出Block讀的Request，直到完成整個Page的讀任務。

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。