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[導(dǎo)讀]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)。

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