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嵌入式根文件系统都有哪些?

  • 发布:嵌入式培训
  • 来源:嵌入式问答
  • 时间:2017-10-12 10:36

我们知道Linux启动时,第一个必须挂载的就是根文件系统;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。

一、嵌入式根文件系统

Linux支持多种文件系统,包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等,为了对各类文件系统进行统一管理,Linux引入了虚拟文件系统VFS(VirtualFileSystem),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。

在嵌入式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,initramfs,ramfs/tmpfs,ubifs等。

二、基于FLASH的文件系统

Flash(闪存)作为嵌入式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。

首先,Flash(闪存)作为嵌入式系统的主要存储介质,主要有NOR和NAND两种技术。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。在这里先简要的对NOR闪存与NAND闪存比较:

在嵌入式Linux下,MTD(MemoryTechnologyDevice,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(参见下面的Linux下的虚拟文件系统层次结构图)。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)jffs2

JFFS文件系统最早是由瑞典AxisCommunications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(JournallingFlashFileSystemv2)

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。

(2)yaffs:YetAnotherFlashFileSystem

yaffs/yaffs2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(512Bytes)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。

(3)Cramfs:CompressedROMFileSystem

Cramfs是Linux的创始人LinusTorvalds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。

(4)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(eXecuteInPlace,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。

三、基于RAM的文件系统

(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。

(2)Initramfs

基于RAM的文件系统-Initramfs出现在2.6内核中,它类似于tmpfs,是一种基于内存的文件系统,它的使用不需要创建内存块设备。增加文件到ramfs(或增大原有的文件)会自动配置更多的内存,并删除或截去文件以释放内存。(若ramdisk没有满,已被占用的额外的内存也不能用来做其它事,若ramdisk满了,但其它仍有闲置的内存,也必须重新格式化后才能扩展使用)

(3)ramfs/tmpfs

Ramfs是LinusTorvalds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。

四、其它文件系统

(1)网络文件系统NFS(NetworkFileSystem)

NFS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。

(2)UBIFS

在linux-2.6.27以前,谈到Flash文件系统,大家很多时候多会想到cramfs、jffs2、yaffs2等文件系统。它们也都是基于文件系统+mtd+flash设备的架构。linux-2.6.27后,内核加入了一种新型的flash文件系统UBI(UnsortedBlockImages)。产生的背景:

FLASH具有的“先擦除再写入”、坏块、“有限的读写次数”等特性,目前管理FLASH的方法主要有:

1、采用MTD+FTL/NFTL(flash转换层/nandflash转换层)+传统文件系统,如:FAT、ext2等。FTL/NFTL的使用就是针对FLASH的特有属性,通过软件的方式来实现日志管理、坏块管理、损益均衡等技术。但实践证明,由于知识产权、效率等各方面因素导致本方案有一定的局限性。

2、采用硬件翻译层+传统文件系统的方案。这种方法被很多存储卡产品采用,如:SD卡、U盘等。这种方案对于一些产品来说,成本较高。

3、采用MTD+FLASH专用文件系统,如JFFS1/2,YAFFS1/2等。它们大大提高了FLASH的管理能力,并被广泛应用。

JFFS2、YAFFS2等专用文件系统也存在着一些技术瓶颈,如:内存消耗大,对FLASH容量、文件系统大小、内容、访问模式等的线性依赖,损益均衡能力差或过渡损益等。在此背景下内核加入了UBI文件系统的支持。

以上讨论的都是基于存储设备的文件系统(memory-basedfilesystem),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(logicalorpseudofilesystem),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。

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