新手學堂：嵌入式Linux文件系統(tǒng)詳細介紹

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

Linux下的文件系統(tǒng)結構如下：

Linux下的文件系統(tǒng)結構

Linux啟動時，第一個必須掛載的是根文件系統(tǒng);若系統(tǒng)不能從指定設備上掛載根文件系統(tǒng)，則系統(tǒng)會出錯而退出啟動。之后可以自動或手動掛載其他的文件系統(tǒng)。因此，一個系統(tǒng)中可以同時存在不同的文件系統(tǒng)。

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

1. 基于FLASH的文件系統(tǒng)

Flash(閃存)作為嵌入式系統(tǒng)的主要存儲媒介，有其自身的特性。Flash的寫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(nèi)容恢復為1)，因此，一般情況下，向Flash寫入內(nèi)容時，需要先擦除對應的存儲區(qū)間，這種擦除是以塊(block)為單位進行的。

閃存主要有NOR和NAND兩種技術(簡單比較見附錄)。Flash存儲器的擦寫次數(shù)是有限的，NAND閃存還有特殊的硬件接口和讀寫時序。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(tǒng);傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)如ext2等，用作Flash的文件系統(tǒng)會有諸多弊端。

在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存儲技術設備)為底層硬件(閃存)和上層(文件系統(tǒng))之間提供一個統(tǒng)一的抽象接口，即Flash的文件系統(tǒng)都是基于MTD驅動層的(參見上面的Linux下的文件系統(tǒng)結構圖)。使用MTD驅動程序的主要優(yōu)點在于，它是專門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(qū)的擦除、讀/寫操作接口。

順便一提，一塊Flash芯片可以被劃分為多個分區(qū)，各分區(qū)可以采用不同的文件系統(tǒng);兩塊Flash芯片也可以合并為一個分區(qū)使用，采用一個文件系統(tǒng)。即文件系統(tǒng)是針對于存儲器分區(qū)而言的，而非存儲芯片。

(1) jffs2

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

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

主要用于NOR型閃存，基于MTD驅動層，特點是：可讀寫的、支持數(shù)據(jù)壓縮的、基于哈希表的日志型文件系統(tǒng)，并提供了崩潰/掉電安全保護，提供“寫平衡”支持等。缺點主要是當文件系統(tǒng)已滿或接近滿時，因為垃圾收集的關系而使jffs2的運行速度大大放慢。

目前jffs3正在開發(fā)中。關于jffs系列文件系統(tǒng)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(jié)點所占用的內(nèi)存空間迅速增大，另外，jffsx文件系統(tǒng)在掛載時需要掃描整個FLASH的內(nèi)容，以找出所有的日志節(jié)點，建立文件結構，對于大容量的NAND閃存會耗費大量時間。

(2) yaffs：Yet Another Flash File System

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

yaffs/yaffs2自帶NAND芯片的驅動，并且為嵌入式系統(tǒng)提供了直接訪問文件系統(tǒng)的API，用戶可以不使用Linux中的MTD與VFS，直接對文件系統(tǒng)操作。當然，yaffs也可與MTD驅動程序配合使用。

yaffs與yaffs2的主要區(qū)別在于，前者僅支持小頁(512 Bytes) NAND閃存，后者則可支持大頁(2KB) NAND閃存。同時，yaffs2在內(nèi)存空間占用、垃圾回收速度、讀/寫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參與開發(fā)的一種只讀的壓縮文件系統(tǒng)。它也基于MTD驅動程序。

在cramfs文件系統(tǒng)中，每一頁(4KB)被單獨壓縮，可以隨機頁訪問，其壓縮比高達2:1,為嵌入式系統(tǒng)節(jié)省大量的Flash存儲空間，使系統(tǒng)可通過更低容量的FLASH存儲相同的文件，從而降低系統(tǒng)成本。

Cramfs文件系統(tǒng)以壓縮方式存儲，在運行時解壓縮，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，因為Cramfs是采用分頁壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時，不會一下子就耗用過多的內(nèi)存空間，只針對目前實際讀取的部分分配內(nèi)存，尚沒有讀取的部分不分配內(nèi)存空間，當我們讀取的檔案不在內(nèi)存時，Cramfs文件系統(tǒng)自動計算壓縮后的資料所存的位置，再即時解壓縮到RAM中。

另外，它的速度快，效率高，其只讀的特點有利于保護文件系統(tǒng)免受破壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。

由于以上特性，Cramfs在嵌入式系統(tǒng)中應用廣泛。

但是它的只讀屬性同時又是它的一大缺陷，使得用戶無法對其內(nèi)容對進擴充。

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

(4) Romfs

傳統(tǒng)型的Romfs文件系統(tǒng)是一種簡單的、緊湊的、只讀的文件系統(tǒng)，不支持動態(tài)擦寫保存，按順序存放數(shù)據(jù)，因而支持應用程序以XIP(eXecute In Place，片內(nèi)運行)方式運行，在系統(tǒng)運行時，節(jié)省RAM空間。uClinux系統(tǒng)通常采用Romfs文件系統(tǒng)。

其他文件系統(tǒng)：fat/fat32也可用于實際嵌入式系統(tǒng)的擴展存儲器(例如PDA, Smartphone, 數(shù)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(tǒng)相兼容。ext2也可以作為嵌入式Linux的文件系統(tǒng)，不過將它用于 FLASH閃存會有諸多弊端。

2. 基于RAM的文件系統(tǒng)

(1) Ramdisk

Ramdisk是將一部分固定大小的內(nèi)存當作分區(qū)來使用。它并非一個實際的文件系統(tǒng)，而是一種將實際的文件系統(tǒng)裝入內(nèi)存的機制，并且可以作為根文件系統(tǒng)。將一些經(jīng)常被訪問而又不會更改的文件(如只讀的根文件系統(tǒng))通過Ramdisk放在內(nèi)存中，可以明顯地提高系統(tǒng)的性能。

在Linux的啟動階段，initrd提供了一套機制，可以將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)一起載入內(nèi)存。

(2)ramfs/tmpfs

Ramfs是Linus Torvalds開發(fā)的一種基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)，工作于虛擬文件系統(tǒng)(VFS)層，不能格式化，可以創(chuàng)建多個，在創(chuàng)建時可以指定其最大能使用的內(nèi)存大小。 (實際上，VFS本質上可看成一種內(nèi)存文件系統(tǒng)，它統(tǒng)一了文件在內(nèi)核中的表示方式，并對磁盤文件系統(tǒng)進行緩沖。)

Ramfs/tmpfs文件系統(tǒng)把所有的文件都放在RAM中，所以讀/寫操作發(fā)生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs來存儲一些臨時性或經(jīng)常要修改的數(shù)據(jù)，例如/tmp和/var目錄，這樣既避免了對Flash存儲器的讀寫損耗，也提高了數(shù)據(jù)讀寫速度。

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

Tmpfs的一個缺點是當系統(tǒng)重新引導時會丟失所有數(shù)據(jù)。

3. 網(wǎng)絡文件系統(tǒng)NFS (Network File System)

NFS是由Sun開發(fā)并發(fā)展起來的一項在不同機器、不同操作系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡共享文件的技術。在嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)調試階段，可以利用該技術在主機上建立基于NFS的根文件系統(tǒng)，掛載到嵌入式設備，可以很方便地修改根文件系統(tǒng)的內(nèi)容。

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

附錄：NOR閃存與NAND閃存比較