嵌入式根文件系統的移植和制作詳解

一.文件系統簡(jiǎn)介

理論上說(shuō)一個(gè)嵌入式設備如果內核能夠運行起來(lái)，且不需要運行用戶(hù)進(jìn)程的話(huà)，是不需要文件系統的，文件系統簡(jiǎn)單的說(shuō)就是一種目錄結構，由于 linux操作系統的設備在系統中是以文件的形式存在，將這些文件進(jìn)行分類(lèi)管理以及提供和內核交互的接口，就形成一定的目錄結構也就是文件系統，文件系統是為用戶(hù)反映系統的一種形式，為用戶(hù)提供一個(gè)檢測控制系統的接口。

根文件系統，我認為根文件系統就是一種特殊的文件系統,那么根文件系統和普通的文件系統有什么區別呢?由于根文件系統是內核啟動(dòng)時(shí)掛在的第一個(gè)文件系統，那么根文件系統就要包括Linux啟動(dòng)時(shí)所必須的目錄和關(guān)鍵性的文件，例如Linux啟動(dòng)時(shí)都需要有init目錄下的相關(guān)文件，在 Linux掛載分區時(shí)Linux一定會(huì )找/etc/fSTab這個(gè)掛載文件等，根文件系統中還包括了許多的應用程序bin目錄等，任何包括這些Linux 系統啟動(dòng)所必須的文件都可以成為根文件系統。

Linux支持多種文件系統，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等，為了對各類(lèi)文件系統進(jìn)行統一管理，Linux引入了虛擬文件系統VFS(Virtual File System)，為各類(lèi)文件系統提供一個(gè)統一的操作界面和應用編程接口。

Linux啟動(dòng)時(shí)，第一個(gè)必須掛載的是根文件系統;若系統不能從指定設備上掛載根文件系統，則系統會(huì )出錯而退出啟動(dòng)。之后可以自動(dòng)或手動(dòng)掛載其他的文件系統。因此，一個(gè)系統中可以同時(shí)存在不同的文件系統。

不同的文件系統類(lèi)型有不同的特點(diǎn)，因而根據存儲設備的硬件特性、系統需求等有不同的應用場(chǎng)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類(lèi)型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

1. 基于Flash的文件系統

flash(閃存)作為嵌入式系統的主要存儲媒介，有其自身的特性。Flash的寫(xiě)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容恢復為1)，因此，一般情況下，向Flash寫(xiě)入內容時(shí)，需要先擦除對應的存儲區間，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)。Flash存儲器的擦寫(xiě)次數是有限的，NAND閃存還有特殊的硬件接口和讀寫(xiě)時(shí)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;傳統的文件系統如ext2等，用作Flash的文件系統會(huì )有諸多弊端。

一塊Flash芯片可以被劃分為多個(gè)分區，各分區可以采用不同的文件系統;兩塊Flash芯片也可以合并為一個(gè)分區使用，采用一個(gè)文件系統。即文件系統是針對于存儲器分區而言的，而非存儲芯片。

在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存儲技術(shù)設備)為底層硬件(閃存)和上層(文件系統)之間提供一個(gè)統一的抽象接口，即Flash的文件系統都是基于MTD驅動(dòng)層的(參見(jiàn)上面的Linux下的文件系統結構圖)。使用MTD驅動(dòng)程序的主要優(yōu)點(diǎn)在于，它是專(zhuān)門(mén)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、管理和基于扇區的擦除、讀/寫(xiě)操作接口。

(1) jffs2

JFFS文件系統最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的內核為嵌入式系統開(kāi)發(fā)的文件系統。JFFS2是RedHat公司基于JFFS開(kāi)發(fā)的閃存文件系統，最初是針對RedHat公司的嵌入式產(chǎn)品eCos開(kāi)發(fā)的嵌入式文件系統，所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

Jffs2: 日志閃存文件系統版本2 (Journalling Flash Filesystem v2)

主要用于NOR型閃存，基于MTD驅動(dòng)層，特點(diǎn)是：可讀寫(xiě)的、支持數據壓縮的、基于哈希表的日志型文件系統，并提供了崩潰/掉電安全保護，提供“寫(xiě)平衡”支持等。缺點(diǎn)主要是當文件系統已滿(mǎn)或接近滿(mǎn)時(shí)，因為垃圾收集的關(guān)系而使jffs2的運行速度大大放慢。

jffs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為維護日志節點(diǎn)所占用的內存空間迅速增大，另外，jffs文件系統在掛載時(shí)需要掃描整個(gè)FLASH的內容，以找出所有的日志節點(diǎn)，建立文件結構，對于大容量的NAND閃存會(huì )耗費大量時(shí)間。

(2) yaffs：Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2是專(zhuān)為嵌入式系統使用NAND型閃存而設計的一種日志型文件系統。與jffs2相比，它減少了一些功能(例如不支持數據壓縮)，所以速度更快，掛載時(shí)間很短，對內存的占用較小。另外，它還是跨平臺的文件系統，除了Linux和eCos，還支持WinCE, pSOS和ThreadX等。

yaffs/yaffs2自帶NAND芯片的驅動(dòng)，并且為嵌入式系統提供了直接訪(fǎng)問(wèn)文件系統的API，用戶(hù)可以不使用Linux中的MTD與VFS，直接對文件系統操作。當然，yaffs也可與MTD驅動(dòng)程序配合使用。

yaffs與yaffs2的主要區別在于，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在內存空間占用、垃圾回收速度、讀/寫(xiě)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(kāi)發(fā)的一種只讀的壓縮文件系統。它也基于MTD驅動(dòng)程序。

在cramfs文件系統中，每一頁(yè)(4KB)被單獨壓縮，可以隨機頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)，其壓縮比高達2:1,為嵌入式系統節省大量的Flash存儲空間，使系統可通過(guò)更低容量的FLASH存儲相同的文件，從而降低系統成本。

Cramfs文件系統以壓縮方式存儲，在運行時(shí)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(diǎn)，因為Cramfs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(guò)多的內存空間，只針對目前實(shí)際讀取的部分分配內存，尚沒(méi)有讀取的部分不分配內存空間，當我們讀取的檔案不在內存時(shí)，Cramfs文件系統自動(dòng)計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)有利于保護文件系統免受破壞，提高了系統的可靠性。

由于以上特性，Cramfs在嵌入式系統中應用廣泛。