玩轉Linux，先把文件系統搞懂

　　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 下的文件系統結構如下：

　　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) ( 簡(jiǎn)單比較見(jiàn)附錄 ) 。 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。

　　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。

　　順便一提，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。

　　(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。

　　目前 jffs3 正在開(kāi)發(fā)中。關(guān)于 jffs 系列文件系統的使用詳細文檔，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 為維護日志節點(diǎn)所占用的內存空間迅速增大，另外， jffsx 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。

　　但是它的只讀屬性同時(shí)又是它的一大缺陷，使得用戶(hù)無(wú)法對其內容對進(jìn)擴充。

　　Cramfs 映像通常是放在 Flash 中，但是也能放在別的文件系統里，使用 loopback 設備可以把它安裝別的文件系統里。

　　(4) Romfs

　　傳統型的 Romfs 文件系統是一種簡(jiǎn)單的、緊湊的、只讀的文件系統，不支持動(dòng)態(tài)擦寫(xiě)保存，按順序存放數據，因而支持應用程序以 XIP(eXecute In Place ，片內運行 ) 方式運行，在系統運行時(shí)，節省 RAM 空間。 uC linux 系統通常采用 Romfs 文件系統。

　　其他文件系統： fat/fat32 也可用于實(shí)際嵌入式系統的擴展存儲器 ( 例如 PDA, Smartphone, 數碼相機等的 SD 卡 ) ，這主要是為了更好的與最流行的 Windows 桌面操作系統相兼容。 ext2 也可以作為嵌入式 Linux 的文件系統，不過(guò)將它用于 FLASH 閃存會(huì )有諸多弊端。

　　2. 基于 RAM 的文件系統

　　(1) Ramdisk

　　Ramdisk 是將一部分固定大小的內存當作分區來(lái)使用。它并非一個(gè)實(shí)際的文件系統，而是一種將實(shí)際的文件系統裝入內存的機制，并且可以作為根文件系統。將一些經(jīng)常被訪(fǎng)問(wèn)而又不會(huì )更改的文件 ( 如只讀的根文件系統 ) 通過(guò) Ramdisk 放在內存中，可以明顯地提高系統的性能。

　　在 Linux 的啟動(dòng)階段， initrd 提供了一套機制，可以將內核映像和根文件系統一起載入內存。

　　(2)ramfs/tmpfs

　　Ramfs 是 Linus Torvalds 開(kāi)發(fā)的一種基于內存的文件系統，工作于虛擬文件系統 (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存大小。 ( 實(shí)際上， VFS 本質(zhì)上可看成一種內存文件系統，它統一了文件在內核中的表示方式，并對磁盤(pán)文件系統進(jìn)行緩沖。 )

　　Ramfs/tmpfs 文件系統把所有的文件都放在 RAM 中，所以讀 / 寫(xiě)操作發(fā)生在 RAM 中，可以用 ramfs/tmpfs 來(lái)存儲一些臨時(shí)性或經(jīng)常要修改的數據，例如 /tmp 和 /var 目錄，這樣既避免了對 Flash 存儲器的讀寫(xiě)損耗，也提高了數據讀寫(xiě)速度。

　　Ramfs/tmpfs 相對于傳統的 Ramdisk 的不同之處主要在于：不能格式化，文件系統大小可隨所含文件內容大小變化。

　　Tmpfs 的一個(gè)缺點(diǎn)是當系統重新引導時(shí)會(huì )丟失所有數據。

　　3. 網(wǎng)絡(luò )文件系統 NFS (Network File System)

　　NFS 是由 Sun 開(kāi)發(fā)并發(fā)展起來(lái)的一項在不同機器、不同操作系統之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )共享文件的技術(shù)。在嵌入式 Linux 系統的開(kāi)發(fā)調試階段，可以利用該技術(shù)在主機上建立基于 NFS 的根文件系統，掛載到嵌入式設備，可以很方便地修改根文件系統的內容。

　　以上討論的都是基于存儲設備的文件系統 (memory-based file system) ，它們都可用作 Linux 的根文件系統。實(shí)際上， Linux 還支持邏輯的或偽文件系統 (logical or pseudo file system) ，例如 procfs(proc 文件系統 ) ，用于獲取系統信息，以及 devfs( 設備文件系統 ) 和 sysfs ，用于維護設備文件。

　　附錄： NOR 閃存與 NAND 閃存比較