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(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。
Linux下的文件系统结构如下:
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, ramfs/tmpfs等。
1. 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。
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。
在嵌入式
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) 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。
(2) yaffs:
Yet Another Flash File System
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
(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。
(3) Cramfs:
Compressed ROM File System
Cramfs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。
(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(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。
2. 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)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。
3. 网络文件系统
NFS (Network File System)
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。
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。
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
最大擦写次数
10万次
最大擦写次数
100万-
1000万次