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嵌入式linux系统开发概述之五----文件系统(FileSystem)

2019-07-13 02:45发布

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  5  文件系统     系统需要一种以结构化格式存储和检索信息的方法，这就需要文件系统的参与。文件系统指文件存在的物理空间，linux系统中每个分区都是一个文件系统，都有自己的目录层次结构。Linux会将这些分属不同分区的、单独的文件系统按一定的方式形成一个系统的总的目录层次结构。一个操作系统的运行离不开对文件的操作，因此必然要拥有并维护自己的文件系统。     用户可以根据可靠性、健壮性和／或增强的功能的需求来选择文件系统的类型。下一节将讨论几个可用选项及其优缺点。
5.1 第二版扩展文件系统（Ext2fs）
    Ext2fs是linux事实上的标准文件系统，它已经取代了它的前任 — 扩展文件系统（或Extfs）。Extfs支持的文件大小最大为2GB，支持的最大文件名称大小为255个字符 — 而且它不支持索引节点（包括数据修改时间标记）。Ext2fs做得更好；它的优点是：
Ext2fs支持达4TB 的内存。 
Ext2fs文件名称最长可以到1012个字符。 
当创建文件系统时，管理员可以选择逻辑块的大小（通常大小可选择 1024、2048和4096字节）。 
Ext2fs实现快速符号链接：不需要为此目的而分配数据块，并且将目标名称直接存储在索引节点（inode）表中。这使性能有所提高，特别是在速度上。
    因为Ext2文件系统的稳定性、可靠性和健壮性，所以几乎在所有基于 linux的系统（包括台式机、服务器和工作站 — 并且甚至一些嵌入式设备）上都使用Ext2文件系统。然而，当在嵌入式设备中使用Ext2fs时，它有一些缺点：
Ext2fs是为象IDE设备那样的块设备设计的，这些设备的逻辑块大小是512字节，1K字节等这样的倍数。这不太适合于扇区大小因设备不同而不同的闪存设备；
    Ext2文件系统并没有提供对基于扇区的擦除／写操作的良好管理。在Ext2fs中，为了在一个扇区中擦除单个字节，必须将整个扇区复制到RAM，然后擦除，然后重写入。考虑到闪存设备具有有限的擦除寿命（大约能进行100,000次擦除），在此之后就不能使用它们，所以这不是一个特别好的方法；
在出现电源故障时，Ext2fs不是防崩溃的；
Ext2文件系统不支持损耗平衡，因此缩短了扇区／闪存的寿命（损耗平衡确保将地址范围的不同区域轮流用于写和／或擦除操作以延长闪存设备的寿命）； 
Ext2fs没有特别完美的扇区管理，这使设计块驱动程序十分困难。
    由于这些原因，通常相对于Ext2fs，在嵌入式环境中使用MTD/JFFS2组合是更好的选择。
5.2 用 Ramdisk 挂装 Ext2fs     Ramdisk是通过将计算机的RAM用作设备来创建和挂装文件系统的一种机制，它通常用于无盘系统（当然包括微型嵌入式设备，它只包含作为永久存储媒质的闪存芯片）。
    通过使用Ramdisk的概念，可以在嵌入式设备中创建并挂装Ext2文件系统（以及用于这一目的的任何文件系统）。
    下面的操作创建一个简单的基于Ext2fs的Ramdisk ： #mke2fs -vm0 /dev/ram 4096
#mount -t ext2 /dev/ram /mnt
#cd /mnt
#cp /bin, /sbin, /etc, /dev ... files in mnt
#cd ../
#umount /mnt
#dd if=/dev/ram bs=1k count=4096 of=ext2ramdisk mke2fs是用于在任何设备上创建ext2文件系统的实用程序 — 它创建超级块、索引节点以及索引节点表等等。
    在上面的用法中，/dev/ram 是上面构建有4096个块的ext2文件系统的设备。然后，将这个设备（/dev/ram）挂装在名为/mnt的临时目录上并且复制所有必需的文件。一旦复制完这些文件，就卸装这个文件系统并且设备（/dev/ram）的内容被转储到一个文件（ext2ramdisk）中，它就是所需的 Ramdisk（Ext2文件系统）。
    上面的顺序创建了一个4MB的Ramdisk，并用必需的文件实用程序来填充它。
    一些要包含在 Ramdisk 中的重要目录是：
/bin  — 保存大多数象init、busybox、shell、文件管理实用程序等二进制文件。 
/dev — 包含用在设备中的所有设备节点 
/etc  — 包含系统的所有配置文件 
/lib   — 包含所有必需的库，如libc、libdl 等

5.3 日志闪存文件系统，版本 2（JFFS2）
    瑞典的Axis Communications开发了最初的JFFS，Red Hat的David Woodhouse对它进行了改进。 第二个版本，JFFS2，作为用于微型嵌入式设备的原始闪存芯片的实际文件系统而出现。JFFS2文件系统是日志结构化的，这意味着它基本上是一长列节点。每个节点包含有关文件的部分信息 — 可能是文件的名称、也许是一些数据。相对于 Ext2fs，JFFS2 因为有以下这些优点而在无盘嵌入式设备中越来越受欢迎：
JFFS2在扇区级别上执行闪存擦除／写／读操作要比Ext2文件系统好;
JFFS2提供了比Ext2fs更好的崩溃／掉电安全保护。当需要更改少量数据时，Ext2文件系统将整个扇区复制到内存（DRAM）中，在内存中合并新数据，并写回整个扇区。这意味着为了更改单个字，必须对整个扇区（64KB）执行读／擦除／写例程 — 这样做的效率非常低。要是运气差，当正在DRAM中合并数据时，发生了电源故障或其它事故，那么将丢失整个数据集合，因为在将数据读入DRAM后就擦除了闪存扇区。JFFS2附加文件而不是重写整个扇区，并且具有崩溃／掉电安全保护这一功能。 
    这可能是最重要的一点：JFFS2是专门为象闪存芯片那样的嵌入式设备创建的，所以它的整个设计提供了更好的闪存管理。
    因为本文主要是写关于闪存设备的使用，所以在嵌入式环境中使用 JFFS2的缺点很少：
当文件系统已满或接近满时，JFFS2会大大放慢运行速度。这是因为垃圾收集的问题。
    在linux下，用mkfs.jffs2命令创建JFFS2文件系统（基本上是使用JFFS2的Ramdisk）。
    下面的操作创建 JFFS2 文件系统： 
#mkdir jffsfile 
#cd jffsfile 

/* copy all the /bin, /etc, /usr/bin, /sbin/ binaries and /dev entries 
that are needed for the filesystem here */ 

/* Type the following command under jffsfile directory to create the JFFS2 Image */ 

#./mkfs.jffs2 -e 0x40000 -p -o ../jffs.image 
    上面显示了 mkfs.jffs2 的典型用法。-e选项确定闪存的擦除扇区大小（通常是64千字节）。-p选项用来在映像的剩余空间用零填充。         -o选项用于输出文件，通常是JFFS2文件系统映像 — 在本例中是jffs.image。一旦创建了 JFFS2文件系统，它就被装入闪存中适当的位置（引导装载程序告知内核查找文件系统的地址）以便内核能挂装它。

 5.4 tmpfs
    当linux运行于嵌入式设备上时，该设备就成为功能齐全的单元，许多守护进程会在后台运行并生成许多日志消息。另外，所有内核日志记录机制，象 syslogd、dmesg和klogd，会在/var和/tmp目录下生成许多消息。由于这些进程产生了大量数据，所以允许将所有这些写操作都发生在闪存是不可取的。由于在重新引导时这些消息不需要持久存储，所以这个问题的解决方案 是使用tmpfs。
    tmpfs是基于内存的文件系统，它主要用于减少对系统的不必要的闪存写操作这一唯一目的。因为tmpfs驻留在RAM中，所以写／读／擦除的操作发生在RAM中而不是在闪存中。因此，日志消息写入RAM而不是闪存中，在重新引导时不会保留它们。tmpfs还使用磁盘交换空间来存储，并且当为存储文件而请求页面时，使用虚拟内存（VM）子系统。     tmpfs的优点包括： 动态文件系统大小 — 文件系统大小可以根据被复制、创建或删除的文件或目录的数量来缩放。使得能够最理想地使用内存; 速度                   — 因为tmpfs驻留在RAM，所以读和写几乎都是瞬时的。即使以交换的形式存储文件，I/O操作的速度仍非常快。     tmpfs的一个缺点是当系统重新引导时会丢失所有数据。因此，重要的数据不能存储在tmpfs上。 诸如Ext2fs和JFFS2等大多数其它文件系统都驻留在底层块设备之上，而tmpfs与它们不同，它直接位于VM上。因而，挂装tmpfs文件系统是很简单的事： /* Entries in /etc/rc.d/rc.sysinit for creating/using tmpfs */ # mount -t tmpfs tmpfs /var -o size=512k # mkdir -p /var/tmp # mkdir -p /var/log 
# ln -s /var/tmp /tmp 
    上面的命令将在/var上创建tmpfs并将tmpfs的最大大小限制为512K。同时，tmp/和log/目录成为tmpfs的一部分以便在RAM中存储日志消息。
    如果您想将tmpfs的一个项添加到/etc/fstab，那么它看起来象这样：
tmpfs /var tmpfs size=32m 0 0
这将在/var上挂装一个新的tmpfs文件系统。  

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