基于NAND閃存的文件系統(tǒng)YAFFS在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

　目前，針對(duì)NOR Flash設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)JFFS/JFFS2在嵌入式系統(tǒng)中已得到廣泛的應(yīng)用;隨著NAND作為大容量存儲(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)用到嵌入式系統(tǒng)中。

　　NAND閃存介紹

　　NOR 和NAND是現(xiàn)在市場(chǎng)上兩種主要的非易失性閃存技術(shù)。NOR比較適合存儲(chǔ)程序代碼，其容量一般小于16MB;NAND則是高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的理想解決方案，其容量可達(dá)1GB以上。NAND閃存的存儲(chǔ)單元為頁(yè)和塊。一般來(lái)說(shuō)，128MB以下容量芯片的一頁(yè)大小為528字節(jié)，依次分為2個(gè)256字節(jié)的主數(shù)據(jù)區(qū)，最后是16字節(jié)的備用空間;一個(gè)塊由若干頁(yè)組成，通常為32頁(yè);一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備又由若干塊組成。與其他存儲(chǔ)器相比，NAND閃存具有以下特點(diǎn)：不是完全可靠的，每塊芯片出廠(chǎng)時(shí)都有一定比例的壞塊存在;各個(gè)存儲(chǔ)單元是不可直接改寫(xiě)的，在每次改寫(xiě)操作之前需要先擦除;擦除操作以塊為單位進(jìn)行，而讀寫(xiě)操作通常以頁(yè)為單位進(jìn)行;各塊的擦除次數(shù)有限，一般為10萬(wàn)"100萬(wàn)次;使用復(fù)雜的I/O口串行存取數(shù)據(jù)。

　　YAFFS文件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　YAFFS類(lèi)似于JFFS/JFFS2，是專(zhuān)門(mén)為NAND閃存設(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。它是日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，提供了損耗平衡和掉電保護(hù)，可以有效地避免意外掉電對(duì)文件系統(tǒng)一致性和完整性的影響。YAFFS文件系統(tǒng)是按層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，分為文件系統(tǒng)管理層接口、YAFFS內(nèi)部實(shí)現(xiàn)層和NAND接口層，這樣就簡(jiǎn)化了其與系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)，可以方便地集成到系統(tǒng)中去。與JFFS相比，它減少了一些功能，因此速度更快，占用內(nèi)存更少。

　　YAFFS充分考慮了NAND閃存的特點(diǎn)，根據(jù)NAND閃存以頁(yè)面為單位存取的特點(diǎn)，將文件組織成固定大小的數(shù)據(jù)段。利用NAND閃存提供的每個(gè)頁(yè)面16字節(jié)的備用空間來(lái)存放ECC(Error Correction Code)和文件系統(tǒng)的組織信息，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)和壞塊處理，也能夠提高文件系統(tǒng)的加載速度。YAFFS采用一種多策略混合的垃圾回收算法，結(jié)合了貪心策略的高效性和隨機(jī)選擇的平均性，達(dá)到了兼顧損耗平均和系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)的目的。

　　YAFFS文件組織結(jié)構(gòu)

　　YAFFS將文件組織成固定大小(512字節(jié))的數(shù)據(jù)段。每個(gè)文件都有一個(gè)頁(yè)面專(zhuān)門(mén)存放文件頭，文件頭保存了文件的模式、所有者id、組id、長(zhǎng)度、文件名等信息。為了提高文件數(shù)據(jù)塊的查找速度，文件的數(shù)據(jù)段被組織成樹(shù)形結(jié)構(gòu)。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。YAFFS使用存放在頁(yè)面?zhèn)溆每臻g中的ECC進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，出現(xiàn)錯(cuò)誤后會(huì)進(jìn)行一定次數(shù)的重試，多次重試失敗后，該頁(yè)面就被停止使用。

　　YAFFS物理數(shù)據(jù)組織

　　YAFFS充分利用了NAND閃存提供的每個(gè)頁(yè)面16字節(jié)的備用空間，參考了SmartMedia的設(shè)定，備用空間中6個(gè)字節(jié)被用作頁(yè)面數(shù)據(jù)的ECC，2個(gè)字節(jié)分別用作塊狀態(tài)字和數(shù)據(jù)狀態(tài)字，其余的8字節(jié)(64位)用來(lái)存放文件系統(tǒng)的組織信息，即元數(shù)據(jù)。由于文件系統(tǒng)的基本組織信息保存在頁(yè)面的備份空間中，因此，在文件系統(tǒng)加載時(shí)只需要掃描各個(gè)頁(yè)面的備份空間，即可建立起整個(gè)文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而不需要像JFFS 那樣掃描整個(gè)介質(zhì)，從而大大加快了文件系統(tǒng)的加載速度。

　　YAFFS擦除塊和頁(yè)面分配

　　YAFFS中用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述每個(gè)擦除塊的狀態(tài)。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄了塊狀態(tài)，并用一個(gè)32位的位圖表示塊內(nèi)各個(gè)頁(yè)面的使用情況。在YAFFS中，有且僅有一個(gè)塊處于“當(dāng)前分配”狀態(tài)。新頁(yè)面從當(dāng)前進(jìn)行分配的塊中順序進(jìn)行分配，若當(dāng)前塊已滿(mǎn)，則順序?qū)ふ蚁乱粋€(gè)空閑塊。

　　YAFFS垃圾收集機(jī)制

　　YAFFS使用一種多策略混合的算法來(lái)進(jìn)行垃圾回收，將貪心策略和隨機(jī)選擇策略按一定比例混合使用：當(dāng)滿(mǎn)足特定的小概率條件時(shí)，垃圾回收器會(huì)試圖隨機(jī)選擇一個(gè)可回收的頁(yè)面;而在其他情況下，則使用貪心策略回收最“臟”的塊。通過(guò)使用多策略混合的方法，YAFFS能夠有效地改善貪心策略造成的不平均;通過(guò)不同的混合比例，則可以控制損耗平均和系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)之間的平衡?？紤]到NAND的擦除很快(和NOR相比可忽略不計(jì))，YAFFS將垃圾收集的檢查放在寫(xiě)入新頁(yè)面時(shí)進(jìn)行，而不是采用JFFS那樣的后臺(tái)線(xiàn)程方式，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

　　YAFFS實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介

　　本文采用的是宿主機(jī)+目標(biāo)板的開(kāi)發(fā)模式。宿主機(jī)為PC+REDHAT9.0,目標(biāo)板為三星公司的S3C2410+嵌入式Linux，版本為2.6.11.12。NAND閃存是三星公司64MB的K9F5608U0C。YAFFS的源碼可以從網(wǎng)站下載。

　　YAFFS移植：

　　1)在內(nèi)核中建立YAFFS目錄fs/yaffs，并把下載的YAFFS代碼復(fù)制到該目錄下面。

　　2)修改fs/Kconfig，使得可以配置YAFFS。

　　3)修改fs/makefile，添加如下內(nèi)容：obj-$(CONFIG_YAFFS_FS) += yaffs/

　　4)在生成的YAFFS目錄中生成Makefile 和Kconfig文件。

　　5)修改NAND分區(qū)。此分區(qū)要結(jié)合vivi里的分區(qū)進(jìn)行設(shè)置，如下：[!--empirenews.page--]

　　6)配置內(nèi)核時(shí)選中MTD支持和YAFFS支持。

　　7)編譯內(nèi)核并將內(nèi)核下載到開(kāi)發(fā)板的Flash中。

　　YAFFS文件系統(tǒng)測(cè)試：

　　1)內(nèi)核啟動(dòng)之后，啟動(dòng)信息中應(yīng)該含有如下內(nèi)容：

　　2)如果在內(nèi)核里面添加了proc文件系統(tǒng)的支持，那么proc中應(yīng)該包含有關(guān)YAFFS的信息。

　　3)dev目錄下的相關(guān)目錄中包括有關(guān)NAND設(shè)備的信息。

　　4)建立mount目錄

　　將文件拷貝到mount上的目錄下后，umount設(shè)備，再次mount后可以發(fā)現(xiàn)拷貝的文件仍然存在。這時(shí)刪除該文件，然后umount，再次mount后可以發(fā)現(xiàn)拷貝的文件已經(jīng)被刪除，由此可見(jiàn)該分區(qū)可以正常讀寫(xiě)。

　　5)在Flash上建立根文件系統(tǒng)：

　　重新啟動(dòng)，并改變啟動(dòng)參數(shù)：param set linux_cmd_line "noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console="ttySAC0""再次重新啟動(dòng)后，開(kāi)發(fā)板就可以從Flash啟動(dòng)根文件系統(tǒng)了。

　　結(jié)語(yǔ)

　　YAFFS是專(zhuān)門(mén)為NAND閃存設(shè)計(jì)的,它的出現(xiàn)使得價(jià)格低廉的NAND閃存芯片具有了高效性和健壯性。YAFFS文件系統(tǒng)性能優(yōu)越且易于移植，已經(jīng)成功應(yīng)用于Linux、?Clinux和Windows CE等嵌入式操作系統(tǒng)上?，F(xiàn)在，每頁(yè)大小為2Kb的新型超大容量NAND閃存已經(jīng)出現(xiàn)，針對(duì)這種Flash的文件系統(tǒng)YAFFS2正處于研究和應(yīng)用當(dāng)中?？梢灶A(yù)見(jiàn)，基于NAND閃存的文件系統(tǒng)YAFFS/ YAFFS2將會(huì)應(yīng)用于更多的嵌入式系統(tǒng)。