嵌入式領域的文件系統你了解多少

Linux支持多種文件系統，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等，為了對各類文件系統進行統一管理，Linux引入了虛擬文件系統VFS（Virtual File System），為各類文件系統提供一個統一的操作界面和應用編程接口。

Linux啟動時，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啟動。之后可以自動或手動掛載其他的文件系統。因此，一個系統中可以同時存在不同的文件系統。

不同的文件系統類型有不同的特點，因而根據存儲設備的硬件特性、系統需求等有不同的應用場合。在嵌入式Linux應用中，主要的存儲設備為 RAM（DRAM， SDRAM）和ROM（常采用FLASH存儲器），常用的基于存儲設備的文件系統類型包括：jffs2， yaffs， cramfs， romfs， ramdisk， ramfs/tmpfs等。

1.1. 基于FLASH的文件系統

Flash（閃存）作為嵌入式系統的主要存儲媒介，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就是把對應存儲塊的內容恢復為1），因此，一般情況下，向Flash寫入內容時，需要先擦除對應的存儲區間，這種擦除是以塊（block）為單位進行的。

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。因此，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，用作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）為底層硬件（閃存）和上層（文件系統）之間提供一個統一的抽象接口，即Flash的文件系統都是基于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）而設計的，因而它對Flash有更好的支持、管理和基于扇區的擦除、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，各分區可以采用不同的文件系統;兩塊Flash芯片也可以合并為一個分區使用，采用一個文件系統。即文件系統是針對于存儲器分區而言的，而非存儲芯片。

1.1.1. jffs2

JFFS文件系統最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的內核為嵌入式系統開發的文件系統。JFFS2是RedHat公司基于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，所以JFFS2也可以用在Linux， uCLinux中。

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

主要用于NOR型閃存，基于MTD驅動層，特點是：可讀寫的、支持數據壓縮的、基于哈希表的日志型文件系統，并提供了崩潰/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，因為垃圾收集的關系而使jffs2的運行速度大大放慢。

目前jffs3正在開發中。關于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不適合用于NAND閃存主要是因為NAND閃存的容量一般較大，這樣導致jffs為維護日志節點所占用的內存空間迅速增大，另外，jffsx文件系統在掛載時需要掃描整個FLASH的內容，以找出所有的日志節點，建立文件結構，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）是專為嵌入式系統使用NAND型閃存而設計的一種日志型文件系統。與jffs2相比，它減少了一些功能（例如不支持數據壓縮），所以速度更快，掛載時間很短，對內存的占用較小。另外，它還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，并且為嵌入式系統提供了直接訪問文件系統的API，用戶可以不使用Linux中的MTD與VFS，直接對文件系統操作。當然，yaffs也可與MTD驅動程序配合使用。

yaffs與yaffs2的主要區別在于，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

無排序區塊圖像文件系統（Unsorted Block Image File System， UBIFS）是用于固態硬盤存儲設備上，并與LogFS相互競爭，作為JFFS2的后繼文件系統之一。真正開始開發于2007年，并于2008年10月第一次加入穩定版本于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所設計，專門為了解決MTD（Memory Technology Device）設備所遇到的瓶頸。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UBI處理與MTD device之間的動作。與JFFS2一樣，UBIFS 建構于MTD device 之上，因而與一般的block device不兼容。

JFFS2運行在MTD設備之上，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：

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

2. UBI subsystem，為flash device提供了wear-leveling和 volume management功能; UBI工作在MTD設備之上，提供了UBI volume;UBI是MTD設備的高層次表示，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，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，內存消耗以及I/O速度都不依賴與flash 尺寸（對于內存消耗并不是完全準確的，但是依賴性非常的低）; UBIFS可以很好的適應GB flashes; 當然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，UBIFS mount介質的時間只是毫秒級，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

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

異常unmount適應度：UBIFS是一個日志文件系統可以容忍突然掉電以及unclean重啟; UBIFS 通過replay 日志來恢復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，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indexing data結構，所以就沒有因此而帶來的負擔; 而UBIFS恰恰是有index數據的。 UBIFS之所以夠快是因為UBIFS提交日志的方式：不是把數據從一個地方移動到另外一個位置，而只是把數據的地址加到文件系統的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介質上的數據是壓縮的;同時也可以靈活的針對單個文件來打開關閉壓縮; 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閉壓縮。

可恢復性 - UBIFS可以從index破壞后恢復; 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介質來重構文件系統，這點和JFFS2非常類似;想像一下，如果你擦出了FAT文件系統的FAT表，那么對于FAT FS是致命的錯誤，但是如果擦除UBIFS的index，你人然可以重構文件系統，當然這需要一個特定的用戶空間程序來做這個恢復

完整性 - UBIFS通過寫checksum到flash 介質上來保證數據的完整性，UBIFS不會無視損壞文件數據或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，強制進行data CRC的檢查

ubifs詳細介紹

1.1.4. Cramfs

Cramfs（Compressed ROM File System）是Linux的創始人 Linus Torvalds參與開發的一種只讀的壓縮文件系統。它也基于MTD驅動程序。

在cramfs文件系統中，每一頁（4KB）被單獨壓縮，可以隨機頁訪問，其壓縮比高達2:1，為嵌入式系統節省大量的Flash存儲空間，使系統可通過更低容量的FLASH存儲相同的文件，從而降低系統成本。

Cramfs文件系統以壓縮方式存儲，在運行時解壓縮，所以不支持應用程序以XIP方式運行，所有的應用程序要求被拷到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，當我們讀取的檔案不在內存時，Cramfs文件系統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文件系統免受破壞，提高了系統的可靠性。

由于以上特性，Cramfs在嵌入式系統中應用廣泛。

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容對進擴充。

Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在別的文件系統里，使用loopback 設備可以把它安裝別的文件系統里。

（5） 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，因而支持應用程序以 XIP（eXecute In Place，片內運行）方式運行，在系統運行時，節省RAM空間。uClinux系統通常采用Romfs文件系統。

其他文件系統：fat/fat32也可用于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），這主要是為了更好的與最流行的Windows桌面操作系統相兼容。ext2也可以作為嵌入式Linux的文件系統，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

1.2.1. Ramdisk

Ramdisk是將一部分固定大小的內存當作分區來使用。它并非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，并且可以作為根文件系統。將一些經常被訪問而又不會更改的文件（如只讀的根文件系統）通過Ramdisk放在內存中，可以明顯地提高系統的性能。

在Linux的啟動階段，initrd提供了一套機制，可以將內核映像和根文件系統一起載入內存。

1.2.2. ramfs/tmpfs

Ramfs是Linus Torvalds開發的一種基于內存的文件系統，工作于虛擬文件系統（VFS）層，不能格式化，可以創建多個，在創建時可以指定其最大能使用的內存大小。（實際上，VFS本質上可看成一種內存文件系統，它統一了文件在內核中的表示方式，并對磁盤文件系統進行緩沖。）

Ramfs/tmpfs文件系統把所有的文件都放在RAM中，所以讀/寫操作發生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs來存儲一些臨時性或經常要修改的數據，例如/tmp和/var目錄，這樣既避免了對Flash存儲器的讀寫損耗，也提高了數據讀寫速度。

Ramfs/tmpfs相對于傳統的Ramdisk的不同之處主要在于：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重新引導時會丟失所有數據。

1.2.3. NFS

NFS網絡文件系統（Network File System）是由Sun開發并發展起來的一項在不同機器、不同操作系統之間通過網絡共享文件的技術。在嵌入式Linux系統的開發調試階段，可以利用該技術在主機上建立基于NFS的根文件系統，掛載到嵌入式設備，可以很方便地修改根文件系統的內容。

以上討論的都是基于存儲設備的文件系統（memory-based file system），它們都可用作Linux的根文件系統。實際上，Linux還支持邏輯的或偽文件系統（logical or pseudo file system），例如procfs（proc文件系統），用于獲取系統信息，以及devfs（設備文件系統）和sysfs，用于維護設備文件。

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/數據線復用，數據位較窄

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，芯片內執行），適用于代碼存儲。在嵌入式系統中，常用于存放引導程序、根文件系統等。