在C51系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)YAFFS文件系統(tǒng)

    隨著NAND Flash存儲(chǔ)器作為大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的普及，基于NAND閃存的文件系統(tǒng)YAFFS(Yet Another Flash File System)正逐漸被應(yīng)用到各種嵌入式系統(tǒng)中。本文將詳細(xì)闡述YAFFS文件系統(tǒng)在C51系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1  NAND Flash的特點(diǎn)

　　非易失性閃速存儲(chǔ)器Flash具有速度快、成本低、密度大的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。Flash存儲(chǔ)器主要有NOR和NAND兩種類型。NOR型比較適合存儲(chǔ)程序代碼;NAND型則可用作大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。NAND閃存的存儲(chǔ)單元為塊和頁(yè)。本文使用的Samsung公司的K9F5608包括2 048塊，每一塊又包括32頁(yè)，一頁(yè)大小為528字節(jié)，依次分為2個(gè)256字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)，最后是16字節(jié)的備用空間。

　　K9F5608具有以下特點(diǎn)： 以頁(yè)為單位進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，而擦除操作以塊為單位，讀、寫(xiě)和擦除操作均通過(guò)命令完成；不能字節(jié)擦除，在每次改寫(xiě)操作之前需要先擦除一整塊；出廠時(shí)有一定比例的壞塊存在；每一塊的擦除次數(shù)有限，為10萬(wàn)次左右[1]。

2  YAFFS文件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　YAFFS是第一個(gè)專門(mén)為NAND Flash存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲(chǔ)設(shè)備；并且是在GPL（General Public License）協(xié)議下發(fā)布的，可在其網(wǎng)站免費(fèi)獲得源代碼。

　　YAFFS中，文件是以固定大小的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行存儲(chǔ)的，塊的大小可以是512字節(jié)、1 024字節(jié)或者2 048字節(jié)。這種實(shí)現(xiàn)依賴于它能夠?qū)⒁粋€(gè)數(shù)據(jù)塊頭和每個(gè)數(shù)據(jù)塊關(guān)聯(lián)起來(lái)。每個(gè)文件（包括目錄）都有一個(gè)數(shù)據(jù)塊頭與之相對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)塊頭中保存了ECC(Error Correction Code)和文件系統(tǒng)的組織信息，用于錯(cuò)誤檢測(cè)和壞塊處理。充分考慮了NAND Flash的特點(diǎn)，YAFFS把這個(gè)數(shù)據(jù)塊頭存儲(chǔ)在Flash的16字節(jié)備用空間中。當(dāng)文件系統(tǒng)被掛載時(shí)，只須掃描存儲(chǔ)器的備用空間就能將文件系統(tǒng)信息讀入內(nèi)存，并且駐留在內(nèi)存中，不僅加快了文件系統(tǒng)的加載速度，也提高了文件的訪問(wèn)速度，但是增加了內(nèi)存的消耗。

　　為了在節(jié)省內(nèi)存的同時(shí)提高文件數(shù)據(jù)塊的查找速度，YAFFS利用更高效的映射結(jié)構(gòu)把文件位置映射到物理位置。文件的數(shù)據(jù)段被組織成樹(shù)型結(jié)構(gòu)，這個(gè)樹(shù)型結(jié)構(gòu)具有32字節(jié)的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)都包括8個(gè)指向其他節(jié)點(diǎn)的指針，葉節(jié)點(diǎn)包括16個(gè)2字節(jié)的指向物理地址的指針。YAFFS在文件進(jìn)行改寫(xiě)時(shí)總是先寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)塊，然后將舊的數(shù)據(jù)塊從文件中刪除。這樣即使在修改文件時(shí)意外掉電，丟失的也只是這一次修改數(shù)據(jù)的最小寫(xiě)入單位，從而實(shí)現(xiàn)了掉電保護(hù)，保證了數(shù)據(jù)完整性。

　　結(jié)合貪心算法的高效性和隨機(jī)選擇的平均性，YAFFS實(shí)現(xiàn)了兼顧損耗平均和減小系統(tǒng)開(kāi)銷的目的。當(dāng)滿足特定的小概率條件時(shí)，就會(huì)嘗試隨機(jī)選擇一個(gè)可回收的頁(yè)面；而在其他情況下，則使用貪心算法來(lái)回收最“臟”的塊[2]。

　　YAFFS文件系統(tǒng)是按層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，分成以下4部分： yaffs_guts.c，文件系統(tǒng)的主要算法，這部分代碼完全是用可移植的C語(yǔ)言編寫(xiě)的；yaffs_fs.c，Linux VFS層的接口；NAND 接口，yaffs_guts 和NAND 內(nèi)存訪問(wèn)函數(shù)之間的包裝層，例如調(diào)用Linux mtd 層或者RAM模擬層；可移植函數(shù)，服務(wù)的包裝函數(shù)。最重要的一點(diǎn)是，為了獲得更好的移植性，YAFFS提供直接調(diào)用的模式，這才使得我們有機(jī)會(huì)來(lái)實(shí)現(xiàn)YAFFS文件系統(tǒng)在C51系統(tǒng)上的移植。

3  移植過(guò)程

　　可在http://www.aleph1.co.uk/cgi-bin/viewcvs.cgi/ 獲得direct源碼，包括以下幾個(gè)文件及其頭文件。

　　◆ yaffscfg.c： 設(shè)置各種設(shè)備參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。
　　◆ yaffsfs.c： 主要實(shí)現(xiàn)直接調(diào)用的接口函數(shù)，如打開(kāi)文件、寫(xiě)文件和關(guān)閉文件等。 使用時(shí)在應(yīng)用程序中包含其頭文件即可。
　　◆ yaffs_flashif.c： NAND Flash操作函數(shù)接口，就是直接對(duì)存儲(chǔ)器操作的底層函數(shù)。為了測(cè)試，此文件中用RAMDISK模擬的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)Flash存儲(chǔ)器的操作。實(shí)際應(yīng)用中，需要修改其中對(duì)Flash硬件操作函數(shù)的定義，包括yflash_EraseBlockInNAND()、yflash_WriteChunk?ToNAND()、yflash_ReadChunkFromNAND()和yflash_InitialiseNAND()。
　　◆ yaffs_guts.c： YAFFS文件系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)算法。
　　◆ nand_ecc.c:： ECC算法。
　　◆ yaffs_ramdisk.c:： RAMDISK支持代碼。
　　◆ yaffs_fileem.c： 用主機(jī)上的一個(gè)文件來(lái)模擬Flash存儲(chǔ)器，僅用于測(cè)試。
　　◆ dtest.c:： 直接調(diào)用文件系統(tǒng)的測(cè)試函數(shù)。

　　獲得源碼以后，移植的過(guò)程可以分為2步：①  根據(jù)自己的需要進(jìn)行裁減;②  將代碼向C51風(fēng)格轉(zhuǎn)化。

3.1  裁減

　　YAFFS是一個(gè)功能強(qiáng)大的文件系統(tǒng)，考慮到C51系統(tǒng)的程序代碼存儲(chǔ)器和RAM資源都很有限，而應(yīng)用中可能不需要某些文件操作的功能，所以有必要對(duì)這個(gè)文件系統(tǒng)進(jìn)行裁減。裁減包括代碼裁減和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的修改。

　　首先，將用來(lái)測(cè)試的yaffs_ramdisk.c、yaffs_ramdisk.h、yaffs_fileem.c和interface.h這幾個(gè)文件去掉，并在yaffscfg.c加上#include yaffs_flashif.h。

　　本系統(tǒng)中，只是對(duì)K9F5608中的3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行讀/寫(xiě)，一級(jí)目錄足夠，單用戶不存在操作權(quán)限問(wèn)題，簡(jiǎn)單的文件存儲(chǔ)不涉及連接（Linux類操作系統(tǒng)文件間的關(guān)系）問(wèn)題，所以可在系統(tǒng)中刪除與目錄操作、操作權(quán)限以及文件連接相關(guān)的操作函數(shù)。

　　在yaffsfs.c及其頭文件中包括（省略yaffs_前綴）： readlink(), DumpDir(), readdir(), opendir(), lstat(), stat(), freespace(), chmod(), mkdir(), rename()，link()， closedir(), FollowLink(), fstat(), listclear(), fchmod(),sylink()和mknod()。

　　在yaffs_guts.c及其頭文件中包括（省略yaffs_前綴）： Renameobject(), mknodedirectoty(), mknodSymLink(), mknodSpecial(), Link(), GetAttributes()， GetSymLinkAlias(), root(), LostNFound(), GutsTest(), DumpObject(), GetNumberofFreeChunk()， GetObjectLInkCount()和GetEquivalentObject()。

　　然后根據(jù)自己的需要進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)修改，與上文提到的目錄操作、操作權(quán)限以及文件連接相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如Uid、Gid、nlink等）對(duì)我們來(lái)說(shuō)就沒(méi)有意義了，因此需要修改相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為了節(jié)省內(nèi)存，還要修改一些宏定義的數(shù)據(jù)常量，例如同時(shí)在運(yùn)行的句柄數(shù)目和文件名的最大長(zhǎng)度等。

　　裁減工作最好能在一臺(tái)裝有Linux操作系統(tǒng)的機(jī)器上進(jìn)行，可以邊裁減，邊利用模擬方式來(lái)檢查是否能實(shí)現(xiàn)自己所需的功能。

3.2  向C51風(fēng)格轉(zhuǎn)化

　　YAFFS文件系統(tǒng)是在Linux環(huán)境下利用開(kāi)發(fā)用戶程序的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的。它與C51是有些差別的，主要有：

　　◇ C51不支持__inline__函數(shù)修飾符，可以將其宏定義為空；
　　◇ u8、u16、u32都需要重新宏定義成為C51的數(shù)據(jù)類型unsigned char、unsigned int和unsigned long；
　　◇ off_t定義為long。

　　在YAFFS源代碼中有用data和bit作為變量的，而在C51中這些都是關(guān)鍵詞，須將其替換。

　　在YAFFS源代碼中yaffs_Device結(jié)構(gòu)體的定義中使用了帶參數(shù)的函數(shù)指針，通過(guò)調(diào)用該指針指向的函數(shù)來(lái)對(duì)Flash硬件進(jìn)行操作，而C51中通過(guò)寄存器函數(shù)指針來(lái)調(diào)用函數(shù)不能傳遞實(shí)際參數(shù)，除非所得參數(shù)可在寄存器間傳遞。因此這里將yaffs_Device結(jié)構(gòu)體定義中的函數(shù)指針去掉，而直接調(diào)用yaffs_if.c中的Flash接口函數(shù)。

　　向C51風(fēng)格轉(zhuǎn)化時(shí)，最好是在Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中一邊修改，一邊編譯，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后再進(jìn)行修改。當(dāng)編譯器提示有多個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，要從第一個(gè)錯(cuò)誤開(kāi)始修改；可能前面的錯(cuò)誤修改完畢，后面的錯(cuò)誤就不再是錯(cuò)誤了。

4  C51系統(tǒng)下的YAFFS使用實(shí)例

　　下面的程序代碼是設(shè)計(jì)中的對(duì)DBF數(shù)據(jù)庫(kù)文件操作的關(guān)鍵代碼。

yaffs_StartUp();//設(shè)置一些參數(shù)，包括各分區(qū)在Flash中的起始?jí)K和結(jié)束塊的地址、預(yù)留塊數(shù)等
yaffs_mount("/flash"); //YAFFS支持多個(gè)分區(qū)，這里選擇掛載/flash分區(qū)新建文件db1.dbf
f=yaffs_open("/flash/db1.dbf", O_CREAT,S_IREAD | S_IWRITE);
yaffs_close(f);//關(guān)閉文件db1.dbf
f=yaffs_open("/flash/db1.dbf", O_RDWR,0);//以讀/寫(xiě)的方式打開(kāi)文件db1.dbf
r=yaffs_write(f,"hello",5);//向文件寫(xiě)數(shù)據(jù)
yaffs_lseek(f,2,SEEK_SET);//移動(dòng)文件讀/寫(xiě)指針
r=yaffs_write(f,"world",5);
r=yaffs_lseek(f,0,SEEK_SET);
r=yaffs_read(f,buffer,10);//從文件讀取數(shù)據(jù)
r=yaffs_close(f);//關(guān)閉文件db1.dbf
r=yaffs_unlink("/flash/db1.dbf");//刪除文件db1.dbf

　　可見(jiàn)， YAFFS的接口函數(shù)的使用方法與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言中對(duì)文件的操作函數(shù)十分相似，簡(jiǎn)單易用。

5  總結(jié)

　　YAFFS文件系統(tǒng)是第一個(gè)專門(mén)為NAND Flash存儲(chǔ)器編寫(xiě)的嵌入式文件系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)了掉電保護(hù)、疲勞均衡和有效的垃圾回收，與JFFS相比占用資源更少，運(yùn)行速度更快；與FAT相比，更適合用于管理NAND Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在C51系統(tǒng)中如果需要實(shí)現(xiàn)Flash文件系統(tǒng)，那么移植YAFFS是個(gè)不錯(cuò)的選擇，但是畢竟它是一個(gè)在32位機(jī)的Linux下開(kāi)發(fā)出來(lái)的，要讓它能與8位機(jī)的C51風(fēng)格完美結(jié)合，還需要進(jìn)一步的努力。

參考文獻(xiàn)
[1]  Samsung公司.  K9F5608?DataSheet. 20031217.
[2]  毛勇強(qiáng),黃光明. YAFFS文件系統(tǒng)在嵌入式Linux上的實(shí)現(xiàn). 電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2006(3).