一切皆文件，嵌入式領(lǐng)域中各種文件系統(tǒng)的介紹

時間：2018-04-18 10:59:11

關(guān)鍵字： Linux 存儲設(shè)備文件系統(tǒng)

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[導(dǎo)讀]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(jìn)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(yīng)用編程接口。

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(jìn)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(yīng)用編程接口。

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(shè)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(shè)備的硬件特性、系統(tǒng)需求等有不同的應(yīng)用場合。在嵌入式Linux應(yīng)用中，主要的存儲設(shè)備為 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存儲器)，常用的基于存儲設(shè)備的文件系統(tǒng)類型包括：

jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

1.1. 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(yīng)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(yīng)存儲塊的內(nèi)容恢復(fù)為1)，因此，一般情況下，向Flash寫入內(nèi)容時，需要先擦除對應(yīng)的存儲區(qū)間，這種擦除是以塊(block)為單位進(jìn)行的。

閃存主要有NOR和NAND兩種技術(shù)(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(shè)計符合應(yīng)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(shù)設(shè)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(qū)動層的(參見上面的Linux下的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖)。使用MTD驅(qū)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(shè)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。

1.1.1. 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(qū)動層，特點是：可讀寫的、支持?jǐn)?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(hù)，提供“寫平衡”支持等。缺點主要是當(dāng)文件系統(tǒng)已滿或接近滿時，因為垃圾收集的關(guān)系而使jffs2的運行速度大大放慢。

目前jffs3正在開發(fā)中。關(guān)于jffs系列文件系統(tǒng)的使用詳細(xì)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(dǎo)致jffs為維護(hù)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(jié)構(gòu)，對于大容量的NAND閃存會耗費大量時間。

1.1.2. yaffs

yaffs/yaffs2(Yet Another Flash File System)是專為嵌入式系統(tǒng)使用NAND型閃存而設(shè)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?jǐn)?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(qū)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(dāng)然，yaffs也可與MTD驅(qū)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。

1.1.3. ubifs

無排序區(qū)塊圖像文件系統(tǒng)(Unsorted Block Image File System, UBIFS)是用于固態(tài)硬盤存儲設(shè)備上，并與LogFS相互競爭，作為JFFS2的后繼文件系統(tǒng)之一。真正開始開發(fā)于2007年，并于2008年10月第一次加入穩(wěn)定版本于Linux核心2.6.27版。

UBIFS最早在2006年由IBM與Nokia的工程師Thomas Gleixner，Artem Bityutskiy所設(shè)計，專門為了解決MTD(Memory Technology Device)設(shè)備所遇到的瓶頸。由于Nand Flash容量的暴漲，YAFFS等皆無法再去控制Nand Flash的空間。UBIFS通過子系統(tǒng)UBI處理與MTD device之間的動作。與JFFS2一樣，UBIFS 建構(gòu)于MTD device 之上，因而與一般的block device不兼容。

JFFS2運行在MTD設(shè)備之上，而UBIFS則只能工作于UBI volume之上。也可以說，UBIFS涉及了三個子系統(tǒng)：

1. MTD 子系統(tǒng)，提供對flash芯片的訪問接口， MTD子系統(tǒng)提供了MTD device的概念，比如/dev/mtdx，MTD可以認(rèn)為是raw flash

2. UBI subsystem，為flash device提供了wear-leveling和 volume management功能; UBI工作在MTD設(shè)備之上，提供了UBI volume;UBI是MTD設(shè)備的高層次表示，對上層屏蔽了一些MTD不得不處理的問題，比如wearing以及壞塊管理

3. UBIFS文件系統(tǒng)，工作于UBI之上

以下是UBIFS的一些特點：

可擴展性：UBIFS對flash 尺寸有著很好的擴展性; 也就是說mount時間，內(nèi)存消耗以及I/O速度都不依賴與flash 尺寸(對于內(nèi)存消耗并不是完全準(zhǔn)確的，但是依賴性非常的低); UBIFS可以很好的適應(yīng)GB flashes; 當(dāng)然UBI本身還有擴展性的問題，無論如何 UBI/UBIFS都比JFFS2的可擴展性好，此外如果UBI成為瓶頸，還可以通過升級UBI而不需改變UBIFS

快速mount：不像JFFS2，UBIFS在mount階段不需要掃描整個文件系統(tǒng)，UBIFS mount介質(zhì)的時間只是毫秒級，時間不依賴與flash的尺寸;然而UBI的初始化時間是依賴flash的尺寸的，因此必須把這個時間考慮在內(nèi)

write-back 支持：回寫或者叫延遲寫更準(zhǔn)確些吧，同JFFS2的write-through(立即寫入內(nèi)存)相比可以顯著的提高文件系統(tǒng)的吞吐量。

異常unmount適應(yīng)度：UBIFS是一個日志文件系統(tǒng)可以容忍突然掉電以及unclean重啟; UBIFS 通過replay 日志來恢復(fù)unclean unmount，在這種情況下replay會消耗一些時間，因此mount時間會稍微增加，但是replay過程并不會掃描整個flash介質(zhì)，所以UBIFS的mount時間大概在幾分之一秒。

快速I/O - 即使我們disable write-back(可以在unmount時使用-o sync mount選項)， UBIFS的性能仍然接近JFFS2; 記住，JFFS2的同步I/O是非常驚人的，因為JFFS2不需要在flash上維護(hù)indexing data結(jié)構(gòu)，所以就沒有因此而帶來的負(fù)擔(dān); 而UBIFS恰恰是有index數(shù)據(jù)的。 UBIFS之所以夠快是因為UBIFS提交日志的方式：不是把數(shù)據(jù)從一個地方移動到另外一個位置，而只是把數(shù)據(jù)的地址加到文件系統(tǒng)的index，然后選擇不同的eraseblock作為新的日志塊，此外還有multi-headed日志方式等技巧。

on-the_flight compression - 存儲在flash介質(zhì)上的數(shù)據(jù)是壓縮的;同時也可以靈活的針對單個文件來打開關(guān)閉壓縮; 例如，可能需要針對某個特定的文件打開壓縮，或者可能缺省方式下支持壓縮，但是對多媒體文件則關(guān)閉壓縮。

可恢復(fù)性 - UBIFS可以從index破壞后恢復(fù); UBIFS中的每一片信息都有一個header來描述，因此可以通過掃描這個flash介質(zhì)來重構(gòu)文件系統(tǒng)，這點和JFFS2非常類似;想像一下，如果你擦出了FAT文件系統(tǒng)的FAT表，那么對于FAT FS是致命的錯誤，但是如果擦除UBIFS的index,你人然可以重構(gòu)文件系統(tǒng)，當(dāng)然這需要一個特定的用戶空間程序來做這個恢復(fù)

完整性 - UBIFS通過寫checksum到flash 介質(zhì)上來保證數(shù)據(jù)的完整性，UBIFS不會無視損壞文件數(shù)據(jù)或meta-data; 缺省的情況，UBIFS僅僅檢查meta-data的CRC，但是你可以通過mount選項，強制進(jìn)行data CRC的檢查

ubifs詳細(xì)介紹

1.1.4. Cramfs

Cramfs(Compressed ROM File System)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(qū)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(dá)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(yīng)用程序以XIP方式運行，所有的應(yīng)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(dāng)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(hù)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(yīng)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(jìn)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(shè)備可以把它安裝別的文件系統(tǒng)里。

(5) 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(yīng)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。

1.2. 　　基于RAM的文件系統(tǒng)

1.2.1. Ramdisk

Ramdisk是將一部分固定大小的內(nèi)存當(dāng)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。

1.2.2. 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(zhì)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(jìn)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(dāng)系統(tǒng)重新引導(dǎo)時會丟失所有數(shù)據(jù)。

1.2.3. NFS

NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(Network File System)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(luò)共享文件的技術(shù)。在嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試階段，可以利用該技術(shù)在主機上建立基于NFS的根文件系統(tǒng)，掛載到嵌入式設(shè)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(shè)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(shè)備文件系統(tǒng))和sysfs，用于維護(hù)設(shè)備文件。

² 　　附錄：NOR閃存與NAND閃存比較

NOR FLASH

NAND FLASH

接口時序同SRAM,易使用

地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用，數(shù)據(jù)位較窄

讀取速度較快

讀取速度較慢

擦除速度慢，以64-128KB的塊為單位

擦除速度快，以8-32KB的塊為單位

寫入速度慢(因為一般要先擦除)

寫入速度快

隨機存取速度較快，支持XIP(eXecute In Place，芯片內(nèi)執(zhí)行)，適用于代碼存儲。在嵌入式系統(tǒng)中，常用于存放引導(dǎo)程序、根文件系統(tǒng)等。