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嵌入式Linux文件系统及其存储机制分析


嵌入式系统与通用PC机不同,一般没有硬盘这样的存储设备而是使用Flash闪存芯片、小型闪存卡等专为嵌入式系统设计的存储装置,本文分析了嵌入式系统中常用的存储设备及其管理机制,介绍了常用的基于FLASH的文件系统类型。

1.嵌入式系统存储设备及其管理机制分析

  构建适用于嵌入式系统的Linux文件系统,必然会涉及到两个关键点,一是文件系统类型的选择,它关系到文件系统的读写性能、尺寸大小;另一个就是根文件系统内容的选择,它关系到根文件系统所能提供的功能及尺寸大小。

  嵌入式设备中使用的存储器是像Flash闪存芯片、小型闪存卡等专为嵌入式系统设计的存储装置。Flash是目前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器,它的主要特点是按整体/扇区擦除和按字节编程,具有低功耗、高密度、小体积等优点。目前,Flash分为NOR, NAND两种类型。

  NOR型闪存可以直接读取芯片内储存的数据,因而速度比较快,但是价格较高。NOR型芯片,地址线与数据线分开,所以NOR型芯片可以像SRAM一样连在数据线上,对NOR芯片可以“字”为基本单位操作,因此传输效率很高,应用程序可以直接在Flash内运行,不必再把代码读到系统RAM中运行。它与SRAM的最大不同在于写操作需要经过擦除和写入两个过程。

  NAND型闪存芯片共用地址线与数据线,内部数据以块为单位进行存储,直接将NAND芯片做启动芯片比较难。NAND闪存是连续存储介质,适合放大文件。擦除NOR器件时是以64-128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s;擦除NAND器件是以8-32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。

  NAND Rash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。NOR flash占据了容量为1―16MB闪存市场的大部分,而NAND flash只是用在8―128MB的产品当中,这也说明NOR主要应用在代码存储介质中,NAND适合于数据存储。

  寿命(耐用性),在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

  所有嵌入式系统的启动都至少需要使用某种形式的永久性存储设备,它们需要合适的驱动程序,当前在嵌入式Linux中有三种常用的块驱动程序可以选择。

● Blkmem驱动层

  Blkmem驱动是为uclinux专门设计的,也是最早的一种块驱动程序之一,现在仍然有很多嵌入式Linux操作系统选用它作为块驱动程,尤其是在uClinux中。它相对来说是最简单的,而且只支持建立在NOR型Flash和RAM中的根文件系统。使用Blkmem驱动,建立Flash分区配置比较困难,这种驱动程序为Flash提供了一些基本擦除/写操作。

● RAMdisk驱动层

  RAMdisk驱动层通常应用在标准Linux中无盘工作站的启动,对Flash存储器并不提供任何的直接支持, RAM disk就是在开机时,把一部分的内存虚拟成块设备,并且把之前所准备好的档案系统映像解压缩到该RAM disk环境中。当在Flash中放置一个压缩的文件系统,可以将文件系统解压到RAM,使用RAM disk驱动层支持一个保持在RAM中的文件系统。

● MTD驱动层

  为了尽可能避免针对不同的技术使用不同的工具,以及为不同的的技术提供共同的能力,Linux内核纳入了MTD子系统(memory Technology Device)。它提供了一致且统一的接口,让底层的MTD芯片驱动程序无缝地与较高层接口组合在一起。

  JFFS2, Cramfs, YAFFS等文件系统都可以被安装成MTD块设备。MTD驱动也可以为那些支持CFI接口的NOR型Flash提供支持。虽然MTD可以建立在RAM上,但它是专为基于Flash的设备而设计的。MTD包含特定Flash芯片的驱动程序,开发者要选择适合自己系统的Flash芯片驱动。Flash芯片驱动向上层提供读、写、擦除等基本的操作,MTD对这些操作进行封装后向用户层提供MTD char和MTD block类型的设备。

  MTD char类型的设备包括/dev/mtd0, /dev/mtdl等,它们提供对Flash原始字符的访问。MTD block类型的设备包括/dev/mtdblock0,/dev/mtdblock1等,MTD block设备是将Flash模拟成块设备,这样可以在这些模拟的块设备上创建像Cramfs, JFFS2等格式的文件系统。

  MTD驱动层也支持在一块Flash上建立多个Flash分区,每一个分区作为了一个MTD block设备,可以把系统软件和数据等分配到不同的分区上,同时可以在不同的分区采用不用的文件系统格式。这一点非常重要,正是由于这一点才为嵌入式系统多文件系统的建立提供了灵活性。

2. 基于Flash的文件系统

  鉴于Flash存储介质的读写特点,传统的Linux文件系统己经不适合应用在嵌入式系统中,像Ext2fs文件系统是为像IDE那样的块设备设计的,这些设备的逻辑块是512字节、1024字节等大小,没有提供很好的扇区
擦写支持,不支持损耗平衡,没有掉电保护,也没有特别完美的扇区管理,这不太适合于扇区大小因设备类型而划分的闪存设备。基于这样的原因,产生了很多专为Flash设备而设计的文件系统,常见的专用于闪存设备的文件系统如下:

● Romfs

  传统型的Romfs文件系统是最常使用的一种文件系统,它是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统,不支持动态擦写保存;它按顺序存放所有的文件数据,所以这种文件系统格式支持应用程序以XIP方式运行,在系统运行时,可以获得可观的RAM节省空间。uClinux系统通常采用Romfs文件系统。

● Cramfs

  Cramfs是Linux的创始人Linus Torvalds开发的一种可压缩只读文件系统在Cramfs文件系统中,每一页被单独压缩,可以随机页访问,其压缩比高达2:1,为嵌入式系统节省大量的Flash存储空间。Cramfs文件系统以压缩方式存储,在运行时解压缩,所以不支持应用程序以XIP方式运行,所有的应用程序要求被拷到RAM里去运行,但这并不代表比Ramfs需求的RAM 空间要大一点,因为Cramfs是采用分页压缩的方式存放档案,在读取档案时,不会一下子就耗用过多的内存空间,只针对目前实际读取的部分分配内存,尚没有读取的部分不分配内存空间,当我们读取的档案不在内存时, Cramfs文件系统自动计算压缩后的资料所存的位置,再即时解压缩到RAM中。

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