解析在U-Boot中實(shí)現(xiàn)對(duì)Yaffs鏡像的支持設(shè)計(jì)

0 引 言

U-Boot是目前廣泛使用的嵌入式操作系統(tǒng)通用引導(dǎo)程序，具有功能豐富強(qiáng)大，支持多種操作系統(tǒng)和CPU體系，易于功能擴(kuò)展和移植，源碼開放等多種優(yōu)點(diǎn)。U-Boot,全稱 Universal Boot Loader,是遵循GPL條款的開放源碼項(xiàng)目。從FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步發(fā)展演化而來(lái)。其源碼目錄、編譯形式與Linux內(nèi)核很相似，事實(shí)上，不少U-Boot源碼就是相應(yīng)的Linux內(nèi)核源程序的簡(jiǎn)化，尤其是一些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，這從U-Boot源碼的注釋中能體現(xiàn)這一點(diǎn)。U-Boot不僅僅支持嵌入式Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)，當(dāng)前，它還支持NetBSD, VxWorks, QNX, RteMS, ARTOS, LynxOS嵌入式操作系統(tǒng)。其目前要支持的目標(biāo)操作系統(tǒng)是OpenBSD, NetBSD, FreeBSD,4.4BSD, Linux, SVR4, Esix, Solaris, Irix, SCO, Dell, NCR, VxWorks, LynxOS, pSOS, QNX, RTEMS, ARTOS.Yaffs文件系統(tǒng)是專門針對(duì)NAND FLASH設(shè)計(jì)的可讀寫型文件系統(tǒng)，在NAND Flash上性能穩(wěn)定優(yōu)異。U-Boot自身沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)Yaffs文件系統(tǒng)鏡像讀寫的直接支持。由于Yaffs文件系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)，需要對(duì)nand命令做一定的修改，從而實(shí)現(xiàn)其在NANDFLASH上對(duì)Yaffs鏡像的讀寫。

1 相關(guān)工作簡(jiǎn)介

1.1 Yaffs文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

目前，嵌入式系統(tǒng)中常用的FLASH文件系統(tǒng)有Cramfs,Jffs 2,Yaffs,exfat等。Cramfs是一種壓縮型只讀型文件系統(tǒng)，其在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)解壓至內(nèi)存中運(yùn)行。Jffs 2,Yaffs,Exfat等是可讀寫型文件系統(tǒng)，Jffs 2一般應(yīng)用于NOR型FLASH;Exfat不是開源的文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，一般應(yīng)用于Windows CE操作系統(tǒng)中。

通常一個(gè)NAND FLASH存儲(chǔ)設(shè)備由若干塊組成；1個(gè)塊由若干頁(yè)組成。一般128 MB以下容量的NAND FLASH芯片，一頁(yè)大小為528 B,依次分為2個(gè)256 B的主數(shù)據(jù)區(qū)和16 B的額外空間；128 MB以上容量的NAND FLASH芯片，一頁(yè)大小通常為2 KB.由于NAND FLASH出現(xiàn)位反轉(zhuǎn)的概率較大，一般在讀寫時(shí)需要使用ECC進(jìn)行錯(cuò)誤檢驗(yàn)和恢復(fù)。

Yaffs（Yet Another Flash File System）文件系統(tǒng)是專門針對(duì)NAND閃存設(shè)計(jì)的嵌入式文件系統(tǒng)，目前有YAFFS和YAFFS2兩個(gè)版本，兩個(gè)版本的主要區(qū)別之一在于YAFFS2能夠更好的支持大容量的NAND FLASH芯片。

Yaffs文件系統(tǒng)有些類似于JFFS/JFFS2文件系統(tǒng)，與之不同的是JFFS1/2文件系統(tǒng)最初是針對(duì)NOR FLASH的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的，而NOR FLASH和NAND FLASH本質(zhì)上有較大的區(qū)別，所以盡管JFFS1/2 文件系統(tǒng)也能應(yīng)用于NAND FLASH,但由于它在內(nèi)存占用和啟動(dòng)時(shí)間方面針對(duì)NOR的特性做了一些取舍，所以對(duì)NAND來(lái)說通常并不是最優(yōu)的方案。

Yaffs文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮到NAND FLASH以頁(yè)為存取單位等的特點(diǎn)，將文件組織成固定大小的段（Chunk）。以528 B的頁(yè)為例，Yaffs文件系統(tǒng)使用前512 B存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、16 B的額外空間，用以存放數(shù)據(jù)的ECC和文件系統(tǒng)的組織信息等（稱為OOB數(shù)據(jù)）。通過OOB數(shù)據(jù)，不但能實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)和壞塊處理；同時(shí)可以避免加載時(shí)對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)的掃描，加快了文件系統(tǒng)的加載速度。一個(gè)頁(yè)面的具體結(jié)構(gòu)如表1所示。

由此可知，與其他文件系統(tǒng)相比，在生成Yaffs鏡像時(shí)就包含了OOB數(shù)據(jù)，所以在燒寫Yaffs鏡像時(shí)，不需要計(jì)算ECC,僅依次寫入512 B的數(shù)據(jù)和16 B的OOB數(shù)據(jù)即可。同時(shí)，Yaffs鏡像要使用分區(qū)上的第一個(gè)塊來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)名為Yaffs_ObjectHeader的結(jié)構(gòu)體。該結(jié)構(gòu)體記錄了該分區(qū)中的文件、路徑以及相關(guān)的鏈接，所以在燒寫時(shí)還需要跳過第一個(gè)可用的塊。Yaffs文件系統(tǒng)目前常用的版本為Yaffs 2,性能在許多方面都有了很大的提高。

1.2 U-Boot對(duì)常見文件系統(tǒng)的支持

U-Boot可支持的主要功能列表 系統(tǒng)引導(dǎo)；支持NFS掛載、RAMDISK（壓縮或非壓縮）形式的根文件系統(tǒng)；支持NFS掛載、從FLASH中引導(dǎo)壓縮或非壓縮系統(tǒng)內(nèi)核；基本輔助功能 強(qiáng)大的操作系統(tǒng)接口功能；可靈活設(shè)置、傳遞多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)給操作系統(tǒng)，適合系統(tǒng)在不同開發(fā)階段的調(diào)試要求與產(chǎn)品發(fā)布，尤對(duì)Linux支持最為強(qiáng)勁； 在實(shí)際開發(fā)過程中，一般使用引導(dǎo)程序，比如U-Boot,完成文件向FLASH中的燒寫和啟動(dòng)引導(dǎo)等工作。U-Boot能夠支持Cramfs,Jffs 2文件系統(tǒng)的燒寫。這些文件系統(tǒng)是針對(duì)NOR型FLASH設(shè)計(jì)的，所有文件數(shù)據(jù)就是簡(jiǎn)單的線性表組織形式。對(duì)于目前大量使用的NAND型FLASH,由于帶有用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)等功能的OOB區(qū)，所以Yaffs文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織形式不再是線性表的形式。

U-Boot沒有提供對(duì)Yaffs文件系統(tǒng)的讀寫支持。但由于該文件系統(tǒng)的讀寫過程與其他文件系統(tǒng)的讀寫類似，因此可以通過修改U-Boot的FLASH讀寫命令，增加處理00B區(qū)域數(shù)據(jù)的功能，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Yaffs文件系統(tǒng)的讀寫支持。

2 具體實(shí)現(xiàn)

在此，采用U-Boot 1.1.6版，NAND FLASH使用三星公司的K9F1208UOM.該NAND FLASH每頁(yè)為512 B,外加16 B額外空間，整個(gè)芯片容量為64 MB.在此之前，已經(jīng)正確配置了相關(guān)的宏定義，并移植了相關(guān)NAND FLASH的驅(qū)動(dòng)程序，使U-Boot能夠正確操作該芯片。

2.1 為U-Boot添加新的命令

實(shí)際上，U-Boot中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了所需的nand命令，只要編寫好正確的NAND FLASH驅(qū)動(dòng)程序，并定義相應(yīng)的宏，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)NAND FLASH的基本讀寫操作。欲添加對(duì)Yaffs鏡像的支持，只要實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的參數(shù)即可。為了給下述工作一個(gè)清晰的步驟，在此先簡(jiǎn)述如何向U-Boot中添加一個(gè)新命令。以下所述的路徑均在U-Boot源碼目錄下。

（1）在include/CMD_cONfdefs.h文件中定義相應(yīng)命令的宏，不能與已有的宏值重復(fù)。

（2）在common/CMd_name.c中實(shí)現(xiàn)命令操作的具體代碼，文件名中的nAME即為相應(yīng)命令的名稱。在這個(gè)文件中，首先要編寫命令的實(shí)現(xiàn)函數(shù)；此外還要使用一個(gè)U_BOOT_CMD（）的宏函數(shù)來(lái)填寫該命令的cmd_tbl_t結(jié)構(gòu)體。該結(jié)構(gòu)體的原型是在includecommand.h 中定義的，包含相應(yīng)命令的名稱、參數(shù)個(gè)數(shù)、實(shí)現(xiàn)函數(shù)、用法說明、幫助等信息。

（3）在相應(yīng)的開發(fā)板頭文件（位于include/con-figs/下）中的CONFIG_COMMANDS宏中添加（1）所定義的宏即可使用該命令。

在實(shí)現(xiàn)以上步驟時(shí)，參照已有命令的相應(yīng)代碼作適當(dāng)修改即可。

2.2 為nand命令添加新參數(shù)

根據(jù)以上分析，下面給nand命令添加write.yaffs參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Yaffs鏡像的支持。按照第2.1節(jié)中的步驟，由于nand命令已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，僅需要修改com-mon/cmd_nand.c文件即可。

（1）在common/cmd_nand.c文件的U_BOOT_CMD（）宏函數(shù)中仿照其他參數(shù)，添加該參數(shù)的使用說明

定義讀寫操作的結(jié)構(gòu)體原型中一部分參數(shù)沒有使用，這些參數(shù)與選擇ECC的方式有關(guān)，由于Yaffs文件系統(tǒng)已包含了OOB數(shù)據(jù)，故不使用這些參數(shù)。另外， opts.skipfirSTblk是向nand_write_options_t結(jié)構(gòu)體中新添加的變量，因此需要修改該結(jié)構(gòu)體。在 include/nand.h中，向struct nand_write_options結(jié)構(gòu)體添加如下變量定義：

int skipfirstblk;

此外，需要再修改nand_write_opts函數(shù)，以增加對(duì)此變量的支持。

2.3 修改nand_write_opts函數(shù)

在drivers/nand/nand_util.c中，根據(jù)其代碼，在while（blockstart!=（mtdoffset&（~erasesize_blockalign+1）））循環(huán)體之后添加如下代碼：

通過以上步驟，U-Boot已經(jīng)可以支持Yaffs文件系統(tǒng)鏡像的讀寫。一般地，在進(jìn)行NAND FLASH寫操作時(shí)，可以先通過串口或網(wǎng)絡(luò)等接口將數(shù)據(jù)下載到內(nèi)存中，進(jìn)而按照命令格式將其燒寫到NAND FLASH中。例如：

在U-Boot中使用以上三條命令，將名為test.yaffs的Yaffs文件系統(tǒng)鏡像下載到內(nèi)存中，然后擦除一塊FLASH空間，最后用Nand Write.yaffs命令將其寫入NAND FLASH.燒寫完畢后會(huì)提示：

Writing data at 0xd67200-100%complete.

3663264 bytes written:OK

另外，由于沒有使用ECC,燒寫過程中會(huì)有大量如下提示：

Writing data without ECC to NAND_FLASH is not recom-mended

事實(shí)上，ECC數(shù)據(jù)在生成Yaffs鏡像時(shí)已經(jīng)包含在鏡像里，因此這里的提示并沒有關(guān)系。在drivers/nand/nand_basec.c文件中，將nand_write_page函數(shù)中case NAND_ECC_NONE:語(yǔ)句分支中的printk函數(shù)注釋掉即可消除此提示。

3 Yaffs文件系統(tǒng)的性能

在實(shí)際使用中，一般CPU的運(yùn)行速度遠(yuǎn)大于FLASH的讀寫速度，所以yaffs文件系統(tǒng)的讀寫速度主要由具體FLASH芯片的讀寫時(shí)間延遲來(lái)決定。

對(duì)于常使用的Yaffs 2,寫操作的速度為1.5~4.5 MB/S,讀操作的速度為7.6~16.7 MB/S,刪除操作為7.8~62.5 MB/s,垃圾回收為2.1~7.7 MB/s.由于一般嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換量不大，所以該文件系統(tǒng)完全能夠滿足一般實(shí)時(shí)性操作的要求。

此外，作為日志型文件系統(tǒng)，Yaffs文件系統(tǒng)能夠有效地保護(hù)數(shù)據(jù)完整性，避免系統(tǒng)掉電等情況對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的破壞。同時(shí)，與其他FLASH文件系統(tǒng)相比，Yaffs文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)給NAND型FLASH帶來(lái)了很多優(yōu)化，在速度、內(nèi)存占用以及能耗等方面都有更好的表現(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

這里在分析Yaffs文件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過為U-Boot已有命令添加新的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了U- Boot讀寫Yaffs文件系統(tǒng)鏡像的支持。最后通過一個(gè)簡(jiǎn)單試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，燒寫入FLASH中的文件系統(tǒng)鏡像可以被嵌入式Linux等操作系統(tǒng)的內(nèi)核掛載使用。方便了嵌入式系統(tǒng)的Yaffs根文件系統(tǒng)鏡像的創(chuàng)建和調(diào)試。YAFFS是專門為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、mClinux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，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)。