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一切皆文件,嵌入式领域中各种文件系统的介绍

作者:时间:2018-04-20来源:网络收藏

  Linux支持多种,包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等,为了对各类 进行统一管理,Linux引入了虚拟VFS(Virtual File System),为各类文件系统提供一个统一的操作界面和应用编程接口。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201804/378725.htm

  Linux启动时,第一个必须挂载的是根文件系统;若系统不能从指定设备上挂载根文件系统,则系统会出错而退出启动。之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此,一个系统中可以同时存在不同的文件系统。

  不同的文件系统类型有不同的特点,因而根据存储设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在Linux应用中,主要的存储设备为 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存储器),常用的基于存储设备的文件系统类型包括:jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

  1.1. 基于FLASH的文件系统

  Flash(闪存)作为系统的主要存储媒介,有其自身的特性。Flash的写入操作只能把对应位置的1修改为0,而不能把0修改为1(擦 除Flash就是把对应存储块的内容恢复为1),因此,一般情况下,向Flash写入内容时,需要先擦除对应的存储区间,这种擦除是以块(block)为 单位进行的。

  闪存主要有NOR和NAND两种技术(简单比较见附录)。Flash存储器的擦写次数是有限的,NAND闪存还有特殊的硬件接口和读写时序。因 此,必须针对Flash的硬件特性设计符合应用要求的文件系统;传统的文件系统如ext2等,用作Flash的文件系统会有诸多弊端。

  在Linux下,MTD(Memory Technology Device,存储技术设备)为底层硬件(闪存)和上层(文件系统)之间提供一个统一的抽象接口,即Flash的文件系统都是基于MTD驱动层的(参见上 面的Linux下的文件系统结构图)。使用MTD驱动程序的主要优点在于,它是专门针对各种非易失性存储器(以闪存为主)而设计的,因而它对Flash有 更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读/写操作接口。

  顺便一提,一块Flash芯片可以被划分为多个分区,各分区可以采用不同的文件系统;两块Flash芯片也可以合并为一个分区使用,采用一个文件系统。即文件系统是针对于存储器分区而言的,而非存储芯片。

  1.1.1. jffs2

  JFFS文件系统最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的内核为嵌入式系统开发的文件系统。JFFS2是RedHat公司基于JFFS开发的闪存文件系 统,最初是针对RedHat公司的嵌入式产品eCos开发的嵌入式文件系统,所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

  Jffs2: 日志闪存文件系统版本2 (Journalling Flash FileSystem v2)

  主要用于NOR型闪存,基于MTD驱动层,特点是:可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统,并提供了崩溃/掉电安全保护,提供“写平衡”支持等。缺点主要是当文件系统已满或接近满时,因为垃圾收集的关系而使jffs2的运行速度大大放慢。

  目前jffs3正在开发中。关于jffs系列文件系统的使用详细文档,可参考MTD补丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。

  jffsx不适合用于NAND闪存主要是因为NAND闪存的容量一般较大,这样导致jffs为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大,另 外,jffsx文件系统在挂载时需要扫描整个FLASH的内容,以找出所有的日志节点,建立文件结构,对于大容量的NAND闪存会耗费大量时间。

  1.1.2. yaffs

  yaffs/yaffs2(Yet Another Flash File System)是专为嵌入式系统使用NAND型闪存而设计的一种日志型文件系统。与jffs2相比,它减少了一些功能(例如不支持数 据压缩),所以速度更快,挂载时间很短,对内存的占用较小。另外,它还是跨平台的文件系统,除了Linux和eCos,还支持WinCE, pSOS和ThreadX等。

  yaffs/yaffs2自带NAND芯片的驱动,并且为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的API,用户可以不使用Linux中的MTD与VFS,直接对文件系统操作。当然,yaffs也可与MTD驱动程序配合使用。

  yaffs与yaffs2的主要区别在于,前者仅支持小页(512 Bytes) NAND闪存,后者则可支持大页(2KB) NAND闪存。同时,yaffs2在内存空间占用、垃圾回收速度、读/写速度等方面均有大幅提升。

  1.1.3. ubifs

  无排序区块图像文件系统(Unsorted Block Image File System, UBIFS)是用于固态硬盘存储设备上,并与LogFS相互竞争,作为JFFS2的后继文件系统之一。真正开始开发于2007年,并于2008年10月第一次加入稳定版本于Linux核心2.6.27版。

  UBIFS最早在2006年由IBM与Nokia的工程师Thomas Gleixner,Artem Bityutskiy所设计,专门为了解决MTD(Memory Technology Device)设备所遇到的瓶颈。由于Nand Flash容量的暴涨,YAFFS等皆无法再去控制Nand Flash的空间。UBIFS通过子系统UBI处理与MTD device之间的动作。与JFFS2一样,UBIFS 建构于MTD device 之上,因而与一般的block device不兼容。

  JFFS2运行在MTD设备之上,而UBIFS则只能工作于UBI volume之上。也可以说,UBIFS涉及了三个子系统:

  1. MTD 子系统, 提供对flash芯片的访问接口, MTD子系统提供了MTD device的概念,比如/dev/mtdx,MTD可以认为是raw flash

  2. UBI subsystem,为flash device提供了wear-leveling和 volume management功能; UBI工作在MTD设备之上,提供了UBI volume;UBI是MTD设备的高层次表示,对上层屏蔽了一些MTD不得不处理的问题,比如wearing以及坏块管理

  3. UBIFS文件系统,工作于UBI之上

  以下是UBIFS的一些特点:

  可扩展性:UBIFS对flash 尺寸有着很好的扩展性; 也就是说mount时间,内存消耗以及I/O速度都不依赖与flash 尺寸(对于内存消耗并不是完全准确的,但是依赖性非常的低); UBIFS可以很好的适应GB flashes; 当然UBI本身还有扩展性的问题,无论如何 UBI/UBIFS都比JFFS2的可扩展性好,此外如果UBI成为瓶颈,还可以通过升级UBI而不需改变UBIFS

  快速mount:不像JFFS2,UBIFS在mount阶段不需要扫描整个文件系统,UBIFS mount介质的时间只是毫秒级,时间不依赖与flash的尺寸;然而UBI的初始化时间是依赖flash的尺寸的,因此必须把这个时间考虑在内

  write-back 支持: 回写或者叫延迟写更准确些吧,同JFFS2的write-through(立即写入内存)相比可以显著的提高文件系统的吞吐量。

  异常unmount适应度:UBIFS是一个日志文件系统可以容忍突然掉电以及unclean重启; UBIFS 通过replay 日志来恢复unclean unmount,在这种情况下replay会消耗一些时间,因此mount时间会稍微增加,但是replay过程并不会扫描整个flash介质,所以UBIFS的mount时间大概在几分之一秒。

  快速I/O - 即使我们disable write-back(可以在unmount时使用-o sync mount选项), UBIFS的性能仍然接近JFFS2; 记住,JFFS2的同步I/O是非常惊人的,因为JFFS2不需要在flash上维护indexing data结构, 所以就没有因此而带来的负担; 而UBIFS恰恰是有index数据的。 UBIFS之所以够快是因为UBIFS提交日志的方式:不是把数据从一个地方移动到另外一个位置,而只是把数据的地址加到文件系统的index,然后选择不同的eraseblock作为新的日志块,此外还有multi-headed日志方式等技巧。

  on-the_flight compression - 存储在flash介质上的数据是压缩的;同时也可以灵活的针对单个文件来打开关闭压缩; 例如,可能需要针对某个特定的文件打开压缩,或者可能缺省方式下支持压缩,但是对多媒体文件则关闭压缩。

  可恢复性 - UBIFS可以从index破坏后恢复; UBIFS中的每一片信息都有一个header来描述,因此可以通过扫描这个flash介质来重构文件系统,这点和JFFS2非常类似;想像一下,如果你擦出了FAT文件系统的FAT表,那么对于FAT FS是致命的错误,但是如果擦除UBIFS的index,你人然可以重构文件系统,当然这需要一个特定的用户空间程序来做这个恢复

  完整性 - UBIFS通过写checksum到flash 介质上来保证数据的完整性,UBIFS不会无视损坏文件数据或meta-data; 缺省的情况,UBIFS仅仅检查meta-data的CRC,但是你可以通过mount选项,强制进行data CRC的检查

  ubifs详细介绍

  1.1.4. Cramfs

  Cramfs(Compressed ROM File System)是Linux的创始人 Linus Torvalds参与开发的一种只读的压缩文件系统。它也基于MTD驱动程序。

  在cramfs文件系统中,每一页(4KB)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,使系统可通过更低容量的FLASH存储相同的文件,从而降低系统成本。

  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。

  另外,它的速度快,效率高,其只读的特点有利于保护文件系统免受破坏,提高了系统的可靠性。

  由于以上特性,Cramfs在嵌入式系统中应用广泛。

  但是它的只读属性同时又是它的一大缺陷,使得用户无法对其内容对进扩充。

  Cramfs映像通常是放在Flash中,但是也能放在别的文件系统里,使用loopback 设备可以把它安装别的文件系统里。

  (5) Romfs

  传统型的Romfs文件系统是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统,不支持动态擦写保存,按顺序存放数据,因而支持应用程序以 XIP(eXecute In Place,片内运行)方式运行,在系统运行时,节省RAM空间。uClinux系统通常采用Romfs文件系统。

  其他文件系统:fat/fat32也可用于实际嵌入式系统的扩展存储器(例如PDA, Smartphone, 数码相机等的SD卡),这主要是为了更好的与最流行的Windows桌面操作系统相兼容。ext2也可以作为嵌入式Linux的文件系统,不过将它用于 FLASH闪存会有诸多弊端。

  1.2.   基于RAM的文件系统

  1.2.1. Ramdisk

  Ramdisk是将一部分固定大小的内存当作分区来使用。它并非一个实际的文件系统,而是一种将实际的文件系统装入内存的机制,并且可以作为根 文件系统。将一些经常被访问而又不会更改的文件(如只读的根文件系统)通过Ramdisk放在内存中,可以明显地提高系统的性能。

  在Linux的启动阶段,initrd提供了一套机制,可以将内核映像和根文件系统一起载入内存。

  1.2.2. ramfs/tmpfs

  Ramfs是Linus Torvalds开发的一种基于内存的文件系统,工作于虚拟文件系统(VFS)层,不能格式化,可以创建多个,在创建时可以指定其最大能使用的内存大 小。(实际上,VFS本质上可看成一种内存文件系统,它统一了文件在内核中的表示方式,并对磁盘文件系统进行缓冲。)

  Ramfs/tmpfs文件系统把所有的文件都放在RAM中,所以读/写操作发生在RAM中,可以用ramfs/tmpfs来存储一些临时性或经常要修改的数据,例如/tmp和/var目录,这样既避免了对Flash存储器的读写损耗,也提高了数据读写速度。

  Ramfs/tmpfs相对于传统的Ramdisk的不同之处主要在于:不能格式化,文件系统大小可随所含文件内容大小变化。

  Tmpfs的一个缺点是当系统重新引导时会丢失所有数据。

  1.2.3. NFS

  NFS网络文件系统(Network File System)是由Sun开发并发展起来的一项在不同机器、不同操作系统之间通过网络共享文件的技术。在嵌入式Linux系统的开发调试阶段,可以利用该技术在主机上建立基于NFS的根文件系统,挂载到嵌入式设备,可以很方便地修改根文件系统的内容。

  以上讨论的都是基于存储设备的文件系统(memory-based file system),它们都可用作Linux的根文件系统。实际上,Linux还支持逻辑的或伪文件系统(logical or pseudo file system),例如procfs(proc文件系统),用于获取系统信息,以及devfs(设备文件系统)和sysfs,用于维护设备文件。

  ²   附录:NOR闪存与NAND闪存比较

  NOR FLASH

  NAND FLASH

  接口时序同SRAM,易使用

  地址/数据线复用,数据位较窄

  读取速度较快

  读取速度较慢

  擦除速度慢,以64-128KB的块为单位

  擦除速度快,以8-32KB的块为单位

  写入速度慢(因为一般要先擦除)

  写入速度快

  随机存取速度较快,支持XIP(eXecute In Place,芯片内执行),适用于代码存储。在嵌入式系统中,常用于存放引导程序、根文件系统等。

  顺序读取速度较快,随机存取速度慢,适用于数据存储(如大容量的多媒体应用)。在嵌入式系统中,常用于存放用户文件系统等。

  单片容量较小,1-32MB

  单片容量较大,8-128MB,提高了单元密度



关键词: 嵌入式 文件系统

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