一切皆文件，嵌入式領(lǐng)域中各種文件系統的介紹

　　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。

　　1.1. 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。

　　1.1.1. 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。

　　1.1.2. yaffs

　　yaffs/yaffs2(Yet Another Flash File System)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。

　　1.1.3. ubifs

　　無(wú)排序區塊圖像文件系統(Unsorted Block Image File System, UBIFS)是用于固態(tài)硬盤(pán)存儲設備上，并與LogFS相互競爭，作為JFFS2的后繼文件系統之一。真正開(kāi)始開(kāi)發(fā)于2007年，并于2008年10月第一次加入穩定版本于Linux核心2.6.27版。

　　UBIFS最早在2006年由IBM與Nokia的工程師Thomas Gleixner，Artem Bityutskiy所設計，專(zhuān)門(mén)為了解決MTD(Memory Technology Device)設備所遇到的瓶頸。由于Nand Flash容量的暴漲，YAFFS等皆無(wú)法再去控制Nand Flash的空間。UBIFS通過(guò)子系統UBI處理與MTD device之間的動(dòng)作。與JFFS2一樣，UBIFS 建構于MTD device 之上，因而與一般的block device不兼容。

　　JFFS2運行在MTD設備之上，而UBIFS則只能工作于UBI volume之上。也可以說(shuō)，UBIFS涉及了三個(gè)子系統：

　　1. MTD 子系統， 提供對flash芯片的訪(fǎng)問(wèn)接口， MTD子系統提供了MTD device的概念，比如/dev/mtdx，MTD可以認為是raw flash

　　2. UBI subsystem，為flash device提供了wear-leveling和 volume management功能; UBI工作在MTD設備之上，提供了UBI volume;UBI是MTD設備的高層次表示，對上層屏蔽了一些MTD不得不處理的問(wèn)題，比如wearing以及壞塊管理

　　3. UBIFS文件系統，工作于UBI之上

　　以下是UBIFS的一些特點(diǎn)：

　　可擴展性：UBIFS對flash 尺寸有著(zhù)很好的擴展性; 也就是說(shuō)mount時(shí)間，內存消耗以及I/O速度都不依賴(lài)與flash 尺寸(對于內存消耗并不是完全準確的，但是依賴(lài)性非常的低); UBIFS可以很好的適應GB flashes; 當然UBI本身還有擴展性的問(wèn)題，無(wú)論如何 UBI/UBIFS都比JFFS2的可擴展性好，此外如果UBI成為瓶頸，還可以通過(guò)升級UBI而不需改變UBIFS

　　快速mount：不像JFFS2，UBIFS在mount階段不需要掃描整個(gè)文件系統，UBIFS mount介質(zhì)的時(shí)間只是毫秒級，時(shí)間不依賴(lài)與flash的尺寸;然而UBI的初始化時(shí)間是依賴(lài)flash的尺寸的，因此必須把這個(gè)時(shí)間考慮在內

　　write-back 支持： 回寫(xiě)或者叫延遲寫(xiě)更準確些吧，同JFFS2的write-through(立即寫(xiě)入內存)相比可以顯著(zhù)的提高文件系統的吞吐量。

　　異常unmount適應度：UBIFS是一個(gè)日志文件系統可以容忍突然掉電以及unclean重啟; UBIFS 通過(guò)replay 日志來(lái)恢復unclean unmount，在這種情況下replay會(huì )消耗一些時(shí)間，因此mount時(shí)間會(huì )稍微增加，但是replay過(guò)程并不會(huì )掃描整個(gè)flash介質(zhì)，所以UBIFS的mount時(shí)間大概在幾分之一秒。

　　快速I(mǎi)/O - 即使我們disable write-back(可以在unmount時(shí)使用-o sync mount選項)， UBIFS的性能仍然接近JFFS2; 記住，JFFS2的同步I/O是非常驚人的，因為JFFS2不需要在flash上維護indexing data結構， 所以就沒(méi)有因此而帶來(lái)的負擔; 而UBIFS恰恰是有index數據的。 UBIFS之所以夠快是因為UBIFS提交日志的方式：不是把數據從一個(gè)地方移動(dòng)到另外一個(gè)位置，而只是把數據的地址加到文件系統的index，然后選擇不同的eraseblock作為新的日志塊，此外還有multi-headed日志方式等技巧。

　　on-the_flight compression - 存儲在flash介質(zhì)上的數據是壓縮的;同時(shí)也可以靈活的針對單個(gè)文件來(lái)打開(kāi)關(guān)閉壓縮; 例如，可能需要針對某個(gè)特定的文件打開(kāi)壓縮，或者可能缺省方式下支持壓縮，但是對多媒體文件則關(guān)閉壓縮。

　　可恢復性 - UBIFS可以從index破壞后恢復; UBIFS中的每一片信息都有一個(gè)header來(lái)描述，因此可以通過(guò)掃描這個(gè)flash介質(zhì)來(lái)重構文件系統，這點(diǎn)和JFFS2非常類(lèi)似;想像一下，如果你擦出了FAT文件系統的FAT表，那么對于FAT FS是致命的錯誤，但是如果擦除UBIFS的index,你人然可以重構文件系統，當然這需要一個(gè)特定的用戶(hù)空間程序來(lái)做這個(gè)恢復

　　完整性 - UBIFS通過(guò)寫(xiě)checksum到flash 介質(zhì)上來(lái)保證數據的完整性，UBIFS不會(huì )無(wú)視損壞文件數據或meta-data; 缺省的情況，UBIFS僅僅檢查meta-data的CRC，但是你可以通過(guò)mount選項，強制進(jìn)行data CRC的檢查

　　ubifs詳細介紹

　　1.1.4. Cramfs

　　Cramfs(Compressed ROM File System)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。

　　(5) 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。uClinux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。

　　1.2. 　　基于RAM的文件系統

　　1.2.1. 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。

　　1.2.2. 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。

　　1.2.3. NFS

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

　　2 　　附錄：NOR閃存與NAND閃存比較

　　NOR FLASH

　　NAND FLASH

　　接口時(shí)序同SRAM,易使用

　　地址/數據線(xiàn)復用，數據位較窄

　　讀取速度較快

　　讀取速度較慢

　　擦除速度慢，以64-128KB的塊為單位

　　擦除速度快，以8-32KB的塊為單位

　　寫(xiě)入速度慢(因為一般要先擦除)

　　寫(xiě)入速度快

　　隨機存取速度較快，支持XIP(eXecute In Place，芯片內執行)，適用于代碼存儲。在嵌入式系統中，常用于存放引導程序、根文件系統等。

　　順序讀取速度較快，隨機存取速度慢，適用于數據存儲(如大容量的多媒體應用)。在嵌入式系統中，常用于存放用戶(hù)文件系統等。

　　單片容量較小，1-32MB

　　單片容量較大，8-128MB，提高了單元密度