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　　嵌入式干货分享之你不可不知的嵌入式领域中的各种文件系统

　　其实我们在深入了解每一个领域的时候都有一些必须要知道的东西，各种硬件呀、各种程序呀、各种流程呀，当然在嵌入式培训学习中，你也应该知道嵌入式领域中的各种文件系统，不知道的就赶快收藏吧！

　　1.  多种嵌入式文件系统介绍

　　Linux支持多种文件系统，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等，为了对各类文件系统 进行统一管理，Linux引入了虚拟文件系统VFS(Virtual File System)，为各类文件系统提供一个统一的操作界面和应用编程接口。

　　Linux启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。

　　不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据存储设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在嵌入式Linux应用中，主要的存储设备为 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存储器)，常用的基于存储设备的文件系统类型包括：

　　jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

　　1.1.  基于FLASH的文件系统

　　Flash(闪存)作为嵌入式系统的主要存储媒介，有其自身的特性。Flash的写入操作只能把对应位置的1修改为0，而不能把0修改为1(擦 除Flash就是把对应存储块的内容恢复为1)，因此，一般情况下，向Flash写入内容时，需要先擦除对应的存储区间，这种擦除是以块(block)为 单位进行的。

　　闪存主要有NOR和NAND两种技术(简单比较见附录)。Flash存储器的擦写次数是有限的，NAND闪存还有特殊的硬件接口和读写时序。因 此，必须针对Flash的硬件特性设计符合应用要求的文件系统；传统的文件系统如ext2等，用作Flash的文件系统会有诸多弊端。

　　在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存储技术设备)为底层硬件(闪存)和上层(文件系统)之间提供一个统一的抽象接口，即Flash的文件系统都是基于MTD驱动层的(参见上 面的Linux下的文件系统结构图)。使用MTD驱动程序的主要优点在于，它是专门针对各种非易失性存储器(以闪存为主)而设计的，因而它对Flash有 更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读/写操作接口。

　　顺便一提，一块Flash芯片可以被划分为多个分区，各分区可以采用不同的文件系统；两块Flash芯片也可以合并为一个分区使用，采用一个文件系统。即文件系统是针对于存储器分区而言的，而非存储芯片。

　　1.1.1.  jffs2

　　JFFS文件系统最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的内核为嵌入式系统开发的文件系统。JFFS2是RedHat公司基于JFFS开发的闪存文件系 统，最初是针对RedHat公司的嵌入式产品eCos开发的嵌入式文件系统，所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

　　Jffs2: 日志闪存文件系统版本2 (Journalling Flash FileSystem v2)

　　主要用于NOR型闪存，基于MTD驱动层，特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃/掉电安全保护，提供“写平衡”支持等。缺点主要是当文件系统已满或接近满时，因为垃圾收集的关系而使jffs2的运行速度大大放慢。

　　目前jffs3正在开发中。关于jffs系列文件系统的使用详细文档，可参考MTD补丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。

　　jffsx不适合用于NAND闪存主要是因为NAND闪存的容量一般较大，这样导致jffs为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大，另 外，jffsx文件系统在挂载时需要扫描整个FLASH的内容，以找出所有的日志节点，建立文件结构，对于大容量的NAND闪存会耗费大量时间。

　　1.1.2.  yaffs

　　yaffs/yaffs2（Yet Another Flash File System）是专为嵌入式系统使用NAND型闪存而设计的一种日志型文件系统。与jffs2相比，它减少了一些功能(例如不支持数 据压缩)，所以速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。另外，它还是跨平台的文件系统，除了Linux和eCos，还支持WinCE, pSOS和ThreadX等。

　　yaffs/yaffs2自带NAND芯片的驱动，并且为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的API，用户可以不使用Linux中的MTD与VFS，直接对文件系统操作。当然，yaffs也可与MTD驱动程序配合使用。

　　yaffs与yaffs2的主要区别在于，前者仅支持小页(512 Bytes) NAND闪存，后者则可支持大页(2KB) NAND闪存。同时，yaffs2在内存空间占用、垃圾回收速度、读/写速度等方面均有大幅提升。

　　1.1.3.  ubifs

　　无排序区块图像文件系统(Unsorted Block Image File System, UBIFS)是用于固态硬盘存储设备上，并与LogFS相互竞争，作为JFFS2的后继文件系统之一。真正开始开发于2007年，并于2008年10月第一次加入稳定版本于Linux核心2.6.27版。

　　UBIFS最早在2006年由IBM与Nokia的工程师Thomas Gleixner，Artem Bityutskiy所设计，专门为了解决MTD（Memory Technology Device）设备所遇到的瓶颈。由于Nand Flash容量的暴涨，YAFFS等皆无法再去控制Nand Flash的空间。UBIFS通过子系统UBI处理与MTD device之间的动作。与JFFS2一样，UBIFS 建构于MTD device 之上，因而与一般的block device不兼容。

　　JFFS2运行在MTD设备之上，而UBIFS则只能工作于UBI volume之上。也可以说，UBIFS涉及了三个子系统：

　　1. MTD 子系统， 提供对flash芯片的访问接口， MTD子系统提供了MTD device的概念，比如/dev/mtdx，MTD可以认为是raw flash

　　2. UBI subsystem，为flash device提供了wear-leveling和 volume management功能； UBI工作在MTD设备之上，提供了UBI volume；UBI是MTD设备的高层次表示，对上层屏蔽了一些MTD不得不处理的问题，比如wearing以及坏块管理

　　3. UBIFS文件系统，工作于UBI之上，以下是UBIFS的一些特点：

　　可扩展性：UBIFS对flash 尺寸有着很好的扩展性； 也就是说mount时间，内存消耗以及I/O速度都不依赖与flash 尺寸（对于内存消耗并不是完全准确的，但是依赖性非常的低）； UBIFS可以很好的适应GB

　　flashes;  当然UBI本身还有扩展性的问题，无论如何 UBI/UBIFS都比JFFS2的可扩展性好，此外如果UBI成为瓶颈，还可以通过升级UBI而不需改变UBIFS

　　快速mount：不像JFFS2，UBIFS在mount阶段不需要扫描整个文件系统，UBIFS mount介质的时间只是毫秒级，时间不依赖与flash的尺寸；然而UBI的初始化时间是依赖flash的尺寸的，因此必须把这个时间考虑在内。

　　write-back 支持： 回写或者叫延迟写更准确些吧，同JFFS2的write-through(立即写入内存)相比可以显著的提高文件系统的吞吐量。

　　异常unmount适应度：UBIFS是一个日志文件系统可以容忍突然掉电以及unclean重启； UBIFS 通过replay 日志来恢复unclean unmount，在这种情况下replay会消耗一些时间，因此mount时间会稍微增加，但是replay过程并不会扫描整个flash介质，所以UBIFS的mount时间大概在几分之一秒。

　　快速I/O - 即使我们disable write-back（可以在unmount时使用-o sync mount选项）， UBIFS的性能仍然接近JFFS2; 记住，JFFS2的同步I/O是非常惊人的，因为JFFS2不需要在flash上维护indexing data结构， 所以就没有因此而带来的负担； 而UBIFS恰恰是有index数据的。 UBIFS之所以够快是因为UBIFS提交日志的方式：不是把数据从一个地方移动到另外一个位置，而只是把数据的地址加到文件系统的index，然后选择不同的eraseblock作为新的日志块，此外还有multi-headed日志方式等技巧。

　　on-the_flight compression - 存储在flash介质上的数据是压缩的；同时也可以灵活的针对单个文件来打开关闭压缩； 例如，可能需要针对某个特定的文件打开压缩，或者可能缺省方式下支持压缩，但是对多媒体文件则关闭压缩。

　　可恢复性 - UBIFS可以从index破坏后恢复； UBIFS中的每一片信息都有一个header来描述，因此可以通过扫描这个flash介质来重构文件系统，这点和JFFS2非常类似；想像一下，如果你擦出了FAT文件系统的FAT表，那么对于FAT FS是致命的错误，但是如果擦除UBIFS的index,你人然可以重构文件系统，当然这需要一个特定的用户空间程序来做这个恢复

　　完整性 - UBIFS通过写checksum到flash 介质上来保证数据的完整性，UBIFS不会无视损坏文件数据或meta-data； 缺省的情况，UBIFS仅仅检查meta-data的CRC，但是你可以通过mount选项，强制进行data CRC的检查

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