嵌入式學習之Linux文件系統、

Linux 支持多種文件系統，包括 ext二、 ext三、 vfat、 ntfs、 iso9660、 jffs、 romfs和nfs 等，爲了對各種文件系統進行統一管理，Linux 引入了虛擬文件系統VFS(Virtual File System) ，爲各種文件系統提供一個統一的操做界面和應用編程接口。本文將和你們詳細介紹Linux文件系統相關知識，一塊兒來看看吧。

Linux 下的文件系統結構以下：

 

Linux 啓動時，第一個必須掛載的是根文件系統；若系統不能從指定設備上掛載根文件系統，則系統會出錯而退出啓動。以後能夠自動或手動掛載其餘的文件系統。所以，一個系統中能夠同時存在不一樣的文件系統。

　　不一樣的文件系統類型有不一樣的特色，於是根據 存儲 設備的硬件特性、系統需求等有不一樣的應用場合。在嵌入式 Linux應用中，主要的 存儲 設備爲 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM( 常採用FLASH 存儲器) ，經常使用的基於存儲設備的文件系統類型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

1. 基於 FLASH的文件系統

Flash ( 閃存 )做爲嵌入式系統的主要存儲媒介，有其自身的特性。 Flash 的寫入操做只能把對應位置的 1修改成 0 ，而不能把 0 修改成 1( 擦除 Flash 就是把對應存儲塊的內容恢復爲 1)，所以，通常狀況下，向 Flash寫入內容時，須要先擦除對應的存儲區間，這種擦除是以塊 (block)爲單位進行的。

　　閃存主要有 NOR 和NAND 兩種技術( 簡單比較見附錄) 。 Flash 存儲器的擦寫次數是有限的，NAND 閃存還有特殊的硬件接口和讀寫時序。所以，必須針對Flash 的硬件特性設計符合應用要求的文件系統；傳統的文件系統如ext2 等，用做Flash 的文件系統會有諸多弊端。

　　在嵌入式 Linux 下， MTD(Memory Technology Device, 存儲技術設備 ) 爲底層硬件 (閃存) 和上層( 文件系統) 之間提供一個統一的抽象接口，即Flash 的文件系統都是基於MTD 驅動層的( 參見上面的Linux 下的文件系統結構圖) 。使用MTD 驅動程序的主要優勢在於，它是專門針對各類非易失性存儲器( 以閃存爲主) 而設計的，於是它對Flash 有更好的支持、管理和基於扇區的擦除、讀/ 寫操做接口。

　　順便一提，一塊 Flash 芯片能夠被劃分爲多個分區，各分區能夠採用不一樣的文件系統；兩塊 Flash 芯片也能夠合併爲一個分區使用，採用一個文件系統。即文件系統是針對於存儲器分區而言的，而非存儲芯片。

(1) jffs2

JFFS 文件系統最先是由瑞典 Axis Communications公司基於 Linux2.0的內核爲嵌入式系統開發的文件系統。 JFFS2是 RedHat公司基於 JFFS開發的閃存文件系統，最初是針對 RedHat公司的嵌入式產品 eCos開發的嵌入式文件系統，因此 JFFS2也能夠用在 Linux, uCLinux中。

Jffs2: 日誌閃存文件系統版本 2 (Journalling Flash FileSystem v2)

　　主要用於 NOR 型閃存，基於MTD 驅動層，特色是：可讀寫的、支持數據壓縮的、基於哈希表的日誌型文件系統，並提供了崩潰/ 掉電安全 保護，提供 「寫平衡 」支持等。缺點主要是當文件系統已滿或接近滿時，由於垃圾收集的關係而使jffs2 的運行速度大大放慢。

　　目前 jffs3 正在開發中。關於jffs 系列文件系統的使用詳細文檔，可參考MTD 補丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt 。

jffsx 不適合用於 NAND閃存主要是由於 NAND閃存的容量通常較大，這樣致使 jffs爲維護日誌節點所佔用的內存空間迅速增大，另外，jffsx 文件系統在掛載時須要掃描整個FLASH 的內容，以找出全部的日誌節點，創建文件結構，對於大容量的NAND閃存會耗費大量時間。

(2) yaffs ： Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2 是專爲嵌入式系統使用 NAND型閃存而設計的一種日誌型文件系統。與jffs2相比，它減小了一些功能 (例如不支持數據壓縮 )，因此速度更快，掛載時間很短，對內存的佔用較小。另外，它仍是跨平臺的文件系統，除了 Linux 和 eCos ，還支持 WinCE, pSOS 和ThreadX 等。

yaffs/yaffs2 自帶 NAND芯片的驅動，而且爲嵌入式系統提供了直接訪問文件系統的API，用戶能夠不使用 Linux中的 MTD與 VFS，直接對文件系統操做。固然， yaffs也可與MTD 驅動程序配合使用。

yaffs 與 yaffs2的主要區別在於，前者僅支持小頁 (512 Bytes) NAND閃存，後者則可支持大頁 (2KB) NAND閃存。同時， yaffs2在內存空間佔用、垃圾回收速度、讀 /寫速度等方面均有大幅提高。

(3) Cramfs ： Compressed ROM File System

Cramfs 是 Linux的創始人 Linus Torvalds參與開發的一種只讀的壓縮文件系統。它也基於 MTD驅動程序。

　　在 cramfs 文件系統中，每一頁(4KB) 被單獨壓縮，能夠隨機頁訪問，其壓縮比高達2:1,爲嵌入式系統節省大量的 Flash存儲空間，使系統可經過更低容量的 FLASH存儲相同的文件，從而下降系統成本。

Cramfs 文件系統以壓縮方式存儲，在運行時解壓縮，因此不支持應用程序以 XIP方式運行，全部的應用程序要求被拷到 RAM裏去運行，但這並不表明比 Ramfs需求的RAM空間要大一點，由於 Cramfs是採用分頁壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時，不會一會兒就耗用過多的內存空間，只針對目前實際讀取的部分分配內存，尚沒有讀取的部分不分配內存空間，當咱們讀取的檔案不在內存時，Cramfs 文件系統自動計算壓縮後的資料所存的位置，再即時解壓縮到RAM 中。

　　另外，它的速度快，效率高，其只讀的特色有利於保護文件系統免受破壞，提升了系統的可靠性。

　　因爲以上特性， Cramfs 在嵌入式系統中應用普遍。

　　可是它的只讀屬性同時又是它的一大缺陷，使得用戶沒法對其內容對進擴充。

Cramfs 映像一般是放在 Flash中，可是也能放在別的文件系統裏，使用 loopback設備能夠把它安裝別的文件系統裏。

(4) Romfs

　　傳統型的 Romfs 文件系統是一種簡單的、緊湊的、只讀的文件系統，不支持動態擦寫保存，按順序存放數據，於是支持應用程序以XIP(eXecute In Place，片內運行 )方式運行，在系統運行時，節省 RAM空間。 uClinux 系統一般採用 Romfs 文件系統。

　　其餘文件系統： fat/fat32 也可用於實際嵌入式系統的擴展存儲器 ( 例如PDA, Smartphone, 數碼相機等的SD 卡) ，這主要是爲了更好的與最流行的Windows 桌面操做系統相兼容。 ext2也能夠做爲嵌入式 Linux的文件系統，不過將它用於 FLASH閃存會有諸多弊端。

2. 基於 RAM 的文件系統

(1) Ramdisk

Ramdisk 是將一部分固定大小的內存看成分區來使用。它並不是一個實際的文件系統，而是一種將實際的文件系統裝入內存的機制，而且能夠做爲根文件系統。將一些常常被訪問而又不會更改的文件( 如只讀的根文件系統) 經過Ramdisk 放在內存中，能夠明顯地提升系統的性能。

　　在 Linux 的啓動階段，initrd 提供了一套機制，能夠將內核映像和根文件系統一塊兒載入內存。

(2)ramfs/tmpfs

Ramfs 是 Linus Torvalds開發的一種基於內存的文件系統，工做於虛擬文件系統 (VFS)層，不能格式化，能夠建立多個，在建立時能夠指定其最大能使用的內存大小。 (實際上，VFS 本質上可當作一種內存文件系統，它統一了文件在內核中的表示方式，並對磁盤文件系統進行緩衝。)

Ramfs/tmpfs 文件系統把全部的文件都放在 RAM中，因此讀 /寫操做發生在 RAM中，能夠用ramfs/tmpfs 來存儲一些臨時性或常常要修改的數據，例如/tmp 和/var 目錄，這樣既避免了對Flash 存儲器的讀寫損耗，也提升了數據讀寫速度。

Ramfs/tmpfs 相對於傳統的 Ramdisk的不一樣之處主要在於：不能格式化，文件系統大小可隨所含文件內容大小變化。

Tmpfs 的一個缺點是當系統從新引導時會丟失全部數據。

3. 網絡文件系統 NFS (Network File System)

NFS 是由 Sun開發並發展起來的一項在不一樣機器、不一樣操做系統之間經過網絡共享文件的技術。在嵌入式 Linux 系統的開發調試階段，能夠利用該技術在主機上創建基於NFS的根文件系統，掛載到嵌入式設備，能夠很方便地修改根文件系統的內容。

　　以上討論的都是基於存儲設備的文件系統 (memory-based file system)，它們均可用做 Linux的根文件系統。實際上， Linux還支持邏輯的或僞文件系統 (logical or pseudo file system)，例如 procfs(proc文件系統 )，用於獲取系統信息，以及 devfs(設備文件系統 )和 sysfs，用於維護設備文件。

　　附錄： NOR 閃存與NAND 閃存比較

 

文章來源：ChinaUnix博客