在U-Boot中實(shí)現(xiàn)對Yaffs鏡像的支持

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能夠同時支持啟動加載模式和下載模式。在下載模式下，可以通過U-Boot自帶的 nand read／write等命令，配合．Jffs 2等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)cramfs，Jffs 2等文件系統(tǒng)鏡像的讀寫，方便開發(fā)過程的調(diào)試。Yaffs文件系統(tǒng)是專門針對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nand命令做一定的修改，從而實(shí)現(xiàn)其在NANDFLASH上對Yaffs鏡像的讀寫。

1 相關(guān)工作簡介
1．1 Yaffs文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡述
    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)啟動時解壓至內(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。Yaffs是一種專門針對NAND FLASH設(shè)計(jì)的可讀寫型文件系統(tǒng)，它能針對嵌入式存儲器的功能要求提供損耗平衡、掉電保護(hù)等。Yaffs文件系統(tǒng)的源代碼開放，在多種嵌入式操作系統(tǒng)中移植十分方便。
    通常一個NAND FLASH存儲設(shè)備由若干塊組成；1個塊由若干頁組成。一般128 MB以下容量的NAND FLASH芯片，一頁大小為528 B，依次分為2個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，一般在讀寫時需要使用ECC進(jìn)行錯誤檢驗(yàn)和恢復(fù)。
    Yaffs文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮到NAND FLASH以頁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的頁為例，Yaffs文件系統(tǒng)使用前512 B存儲數(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)錯誤檢測和壞塊處理；同時可以避免加載時對整個存儲介質(zhì)的掃描，加快了文件系統(tǒng)的加載速度。一個頁面的具體結(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鏡像時就包含了OOB數(shù)據(jù)，所以在燒寫Yaffs鏡像時，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，Yaffs鏡像要使用分區(qū)上的第一個塊來存儲一個名為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，所以在燒寫時還需要跳過第一個可用的塊。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對常見文件系統(tǒng)的支持
    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NOR型FLASH設(shè)計(jì)的，所有文件數(shù)據(jù)就是簡單的線性表組織形式。對于目前大量使用的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Yaffs文件系統(tǒng)的讀寫支持。[!--empirenews.page--]

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每頁為512 B，外加16 B額外空間，整個芯片容量為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)動程序，并定義相應(yīng)的宏，就可實(shí)現(xiàn)對NAND FLASH的基本讀寫操作。欲添加對Yaffs鏡像的支持，只要實(shí)現(xiàn)一個新的參數(shù)即可。為了給下述工作一個清晰的步驟，在此先簡述如何向U-Boot中添加一個新命令。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U_BOOT_CMD()的宏函數(shù)來填寫該命令的cmd_tbl_t結(jié)構(gòu)體。該結(jié)構(gòu)體的原型是在include＼command．h 中定義的，包含相應(yīng)命令的名稱、參數(shù)個數(shù)、實(shí)現(xiàn)函數(shù)、用法說明、幫助等信息。最后還要修改common／Makefile文件，將該文件添加為編譯的目標(biāo)。
    (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，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：

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    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，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芯片的讀寫時間延遲來決定。
    對于常使用的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)掉電等情況對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的破壞。同時，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
    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。最后通過一個簡單試驗(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。