1. 嵌入式存储系统

1.1. 计算机组成原理

从冯.诺依曼的存储程序工作原理及计算机的组成来说，计算机由运算器、控制器、存储器和输入/输出设备五大部件组成。其中运算器和控制器统称为中央处理器(CPU)，而存储系统分成内部存储器(内存)和外部存储器(外存)。输入/输出设备并非计算机所必需的，如果一个设备具有CPU，内存和外存，我们就可以说它是一台计算机。在很多嵌入式设备上，都没有输入/输出设备，所以从广义来讲，我们的手机，MP3，平板电脑都可以说是一台计算机。大家可能都听说过单片机，那么什么是单片机呢？其实单片机就是把CPU，内存和外存集成在一个芯片里面，当然他还包括其他的一些功能模块。那么我们听说的ARM9,ARM11是不是单片机呢？从严格意义上来讲，他们并不是单片机，虽说在很多ARM处理器里面都集成得有一个小容量的SRAM，但是由于CPU内部没有能够掉电保存数据的外存，所以它就不是单片机。

1.1.1. CPU

中央处理器（英文CentralProcessingUnit，CPU）是一台计算机的运算核心和控制核心，其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取/取指（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。 由于CPU的速度很快，而外存的速度很慢，所以CPU不从外存中取出数据，而是从内存或高速缓冲存储器(cache)中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。

1.1.2. 存储器

   存储器是用来存储程序和数据的部件，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。存储器的种类很多，按其用途可分为主存储器（简称内存或主存）和辅助存储器(简称外存)。内存是电脑中的主要部件，它是相对于外存而言的，其存储速度快，掉电后数据丢失，是CPU能直接寻址的存储空间。内存一般采用半导体存储单元，包括随机存储器（RAM）以及高速缓存（CACHE），而RAM是其中最重要的存储器。在系统上电前，所有的数据都是存放在外存中的，内存中的数据不可使用。当内存中没有CPU需要的数据时，会使用DMA(相当于一个协处理器)将数据从外存中调入到内存后，再从内存取数据。 l 随机存储器（RAM）   RAM（random access memory）随机存储器。存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。 按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（Static RAM,SRAM)和动态随机存储器（Dynamic RAM,DRAM)。  SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，而DRAM（Dynamic Random Access Memory)每隔一段时间，要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失，因此SRAM具有较快的速度和较高的性能，但是SRAM也有它的缺点，即它的集成度较低，相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积，但是SRAM却需要很大的体积，且功耗较大。SRAM的速度快但昂贵，一般用小容量的SRAM作为更高速CPU和较低速DRAM 之间的缓存（cache）.  在嵌入式领域，我们常见的DRAM有SDRAM和DDR（DOUBLE DATA RATE）RAM。SDRAM将CPU与RAM通过一个相同的时钟锁在一起，使CPU和RAM能够共享一个时钟周期，以相同的速度同步工作，每一个时钟脉冲的上升沿便开始传递数据。DDR RAM 是SDRAM的更新换代产品，他允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据，这样不需要提高时钟的频率就能加倍提高SDRAM的速度，在PC上上很常见，另外，很多高端的ARM处理器也支持DDR RAM。l 高速缓冲存储器（Cache）   Cache也是我们经常遇到的概念，也就是平常看到的一级缓存(L1 Cache）、二级缓存(L2 Cache）、三级缓存(L3 Cache）这些数据，它位于CPU与内存之间，是一个读写速度比内存更快的存储器。当CPU向内存中写入或读出数据时，这个数据也被存储进高速缓冲存储器中。当CPU再次需要这些数据时，CPU就从高速缓冲存储器读取数据，而不是访问较慢的内存，当然，如需要的数据在Cache中没有，CPU会再去读取内存中的数据。l 只读存储器（ROM）  只读存储器（Read-Only Memory）是一种只能读取资料的存储器。在制造过程中，将资料以一特制光罩（mask）烧录于线路中，其资料内容在写入后就不能更改，所以有时又称为“光罩式只读内存”（mask ROM）。此内存的制造成本较低，常用于电脑中的开机启动如启动光盘，在系统装好的电脑上时，计算机将C盘目录下的操作系统文件读取至内存，然后通过cpu调用各种配件进行工作这时系统存放存储器为RAM 。这种属于COMPACT DISC激光唱片，光盘就是这种。l 可编程程序只读内存(PROM)   可编程程序只读内存（Programmable ROM，PROM）之内部有行列式的镕丝，是需要利用电流将其烧断，写入所需的资料，但仅能写录一次。 PROM在出厂时，存储的内容全为1，用户可以根据需要将其中的某些单元写入数据0(部分的PROM在出厂时数据全为0，则用 户可以将其中的部分单元写入1)， 以实现对其“编程”的目的。PROM的典型产品是“双极性熔丝结构”，如果我们想改写某些单元，则可以给这些单元通以足够大的电流，并维持一定的时间，原 先的熔丝即可熔断，这样就达到了改写某些位的效果。另外一类经典的PROM为使用“肖特基二极管”的PROM，出厂时，其中的二极管处于反向截止状态，还 是用大电流的方法将反相电压加在“肖特基二极管”，造成其永久性击穿即可。l EPROM   可擦出可编程只读内存（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）可利用高电压将资料编程写入，抹除时将线路曝光于紫外线下，则资料可被清空，并且可重复使用。通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。l EEPROM   电可擦出可编程只读内存（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）之运作原理类似EPROM，但是抹除的方式是使用高电场来完成，因此不需要透明窗。l FLASHFLASH表示Flash Memory的意思，即平时所说的“闪存”，全名叫Flash EEPROM Memory。它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，还可以快速读取数据（NVRAM的优势），使数据不会因为断电而丢失。U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM（EPROM）作为它们的存储设备，然而近年来Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系统中的地位，用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码，或者直接当硬盘使用（U盘）。

1.2. 嵌入式Flash存储器

    嵌入式硬件系统一般都需要有软件的支持才能够正常工作，嵌入式系统需要为软件提供相应的存储空间。在以往的单片机系统内，一般使用ROM（Read Only Memory）或EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）存储程序。由于现有的嵌入式系统越来越复杂，原有的ROM由于容量、灵活性差等的限制，无法满足日益复杂的应用要求。 闪存(Flash)是电可擦除只读存储器（EEPROM）的变种，但兼有RAM和ROM 的优点，是一种可在系统（In-System）进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器，同时它的高集成度和低成本使它成为市场主流。随着Flash技术的成熟和普及，一些单片机芯片（如Freescale的8位单片机MC68HC908）已经开始采用片内FLASH取代过去常用的片内ROM或EPROM，使单片机具有了在线编程写入或擦除的功能。 FLASH在结构和操作方式上与硬盘、EEROM等其他存储介质有较大区别，他都是只能将1写为0，而不能将0写成1。所以在Flash编程之前，必须以块为单位(块大小一般为256KB到20MB)将对应的块擦除，而擦除的过程就是将所有位都写为1的过程，块内的所有字节变为0xFF。因此可以说，编程是将相应位写0的过程，而擦除是将相应位写1的过程，两者的执行过程完全相反。而EEPROM能在字节水平上进行删除和重写而不是整个芯片擦写，这样闪存就比EEPROM的更新速度快。 Flash 芯片是由内部成千上万个存储单元组成的，每个单元存储一个bit。具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程（烧写）、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器，Flash在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的Flash为8位或16位的数据宽度，编程电压为单3.3V。主要的生产厂商为INTEL、ATMEL、AMD、HYUNDAI等。Flash 技术根据不同的应用场合也分为不同的发展方向，有擅长存储代码的NOR Flash和擅长存储数据的NAND Flash。

1.3. Norflash和Nandflash的对比

1.3.1. NANDFlash和NORFlash芯片的共性

     首先表现在向芯片中写数据必须先将芯片中对应的内容清空，然后再写入，即先擦后写。只不过NORFlash芯片只用擦写一个字，而NAND需要擦写整个块.其次，闪存擦写的次数都是有限的.当闪存使用接近使用寿命时，经常会出现写操作失败；到达使用寿命时，闪存内部存放的数据虽然可以读，但不能再进行写操作了.所以为了防止上面问题的发生，不能对某个特定的区域反复进行写操作.通常NANDFlash可擦写次数高于NORFlash芯片，但是由于NANDFlash通常是整块擦写，块内的页面中如果有一位失效整个块就会失效，而且由于擦写过程复杂，失败的概率相对较高，所以从整体上来说NOR的寿命较长.    另一个共性是闪存的读写操作不仅仅是一个物理操作，实际上在闪存上存放数据必须使用算法实现，这个模块一般在驱动程序的MTD'(Memory Technology Drivers)模块中或者在FTLZ (Flash Translation Layer)层内实现，具体算法和芯片的生产厂商以及芯片型号有关系.通过比较可以发现，NAND更适用于复杂的文件应用，但是由于NAND芯片的使用相对复杂，所以对文件系统有较高的要求.

1.3.2. NANDFlash和NORFlash芯片的不同

(1)闪存芯片读写的基本单位不同    应用程序对NorFlash芯片操作以“字”为基本单位.为了方便对大容量NorFlash闪存的管理，通常将NOR闪存分成大小为128KB或64KB的逻辑块，有时块内还分扇区.读写时需要同时指定逻辑块号和块内偏移.应用程序对NandFlash芯片操作是以“块”为基本单位.NAND闪存的块比较小，一般是8KB，然后每块又分成页，页大小一般是512字节.要修改NandFlash芯片中一个字节，必须重写整个数据块.(2)NorFlash闪存是随机存储介质，用于数据量较小的场合；NandFlash闪存是连续存储介质，适合存放大的数据.(3)由于NorFlash地址线和数据线分开，所以NorFlash芯片可以像SDRAM一样连在数据线上.NOR芯片的使用类似于通常内存芯片，传输效率高，可执行程序可以在芯片内执行(XI P, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中.由于NorFlash的这个特点，嵌入式系统中经常将NOR芯片做启动芯片使用.NandFlash共用地址和数据总线，需要额外联结一些控制的输入输出，所以直接将NAND芯片做启动芯片比较难.(4)NandFlash闪存芯片因为共用地址和数据总线的原因，不允许对一个字节甚至一个块进行的数据清空，只能对一个固定大小的区域进行清零操作；NorFlash芯片可以对字进行操作.所以在处理小数据量的I/O操作的时候的速度要快与NorFlash的速度.比如一块NorFlash芯片通常写一个字需要10us，在32位总线上写512字节需要1280us；NandFlash闪存写512字节需要的时间包括：512×每字节50ns+10us的寻页时间+200us的片擦写时间＝234us.(5)NandFlash闪存的容量比较大，最大容量己达到8G字节.为了方便管理，NandFlash的存储空间使用了块和页两级存储体系，也就是说它的存储空间是二维的，比如K9F5608UOA闪存块的大小为16K，每页大小是512字节，每页还16字节空闲区用来存放错误校验码空间(也称为out-of-band，OOB空间).在进行写操作时，NandFlash闪存每次将一个字节的数据放入内部的缓存区，然后再发出“写指令”进行写操作.由于对NandFlash闪存的操作都是以块和页为单位的，所以在向NandFlash闪存进行大量数据的读写时，NAND的速度要快于NOR闪存.(6)NorFlash闪存的可靠性要高于NandFlash闪存，是因为NorFlash型闪存的接口简单，数据操作少，位交换操作少，因此可靠性高，极少出现坏区块，一般用在对可靠性要求高的地方.NandFlash型闪存接口和操作均相对复杂，位交换操作也很多，关键性数据更是需安错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法来确保数据的完整性，因此出现问题的几率要大得多，坏区块也是不可避免的，而且由于坏区块是随机分布的，连纠错也无法做到.(7)NANDFlash一般地址线和数据线共用，对读写速度有一定影响；NORFlash闪存数据线和地址线分开，相对而言读写速度快一些.(8)接口对比       NorFlash带有通用的SRAM接口，可以轻松地挂接在CPU的地址、数据总线上，对CPU的接口要求低。NorFlash的特点是芯片内执行(XIP,eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中.如uboot中的ro段可以直接在NorFlash上运行，只需要把rw和zi段拷贝到RAM中运行即可.    NandFlash器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。由于时序较为复杂，所以一般CPU最好集成NandFlash控制器.另外由于NandFlash没有挂接在地址总线上，所以如果想用NandFlash作为系统的启动盘，就需要CPU具备特殊的功能，如s3c2440在被选择为NandFlash启动方式时会在上电时自动读取NandFlash的4k数据到地址0的SRAM中.如果CPU不具备这种特殊功能，用户不能直接运行NandFlash上的代码，那可以采取其他方式，比如好多使用NandFlash的开发板除了使用NandFlash以外，还用上了一块小的NorFlash来运行启动代码. (9)容量和成本对比      相比起NandFlash来说，NorFlash的容量要小，一般在1~16MByte左右，一些新工艺采用了芯片叠加技术可以把NorFlash的容量做得大一些.在价格方面，NorFlash相比NandFlash来说较高，如目前市场上一片4Mbyte的AM29lv320 NorFlash零售价在20元左右，而一片128MByte的k9f1g08 NandFlash零售价在30元左右. NandFlash生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，这样也就相应地降低了价格.(10)可靠性性对比      NandFlash器件中的坏块是随机分布的，以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算.Nand器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用.在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。而坏块问题在NorFlash上是不存在的.    在Flash的位翻转(一个bit位发生翻转)现象上，NAND的出现几率要比NorFlash大得多.这个问题在Flash存储关键文件时是致命的，所以在使用NandFlash时建议同时使用EDC/ECC等校验算法.(11)升级对比         NorFlash的升级较为麻烦，因为不同容量的NorFlash的地址线需求不一样，所以在更换不同容量的NorFlash芯片时不方便.通常我们会通过在电路板的地址线上做一些跳接电阻来解决这样的问题，针对不同容量的NorFlash.  而不同容量的NandFlash的接口是固定的，所以升级简单.(12)读写性能对比         写操作：任何flash器件的写入操作都只能在空或已擦除的单元内进行.NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为1.擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个擦除/写入操作的时间约为5s.擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行一个擦除/写入操作最多只需要4ms. 读操作：NOR的读速度比NAND稍快一些.(13)文件系统比较         Linux系统中采用MTD来管理不同类型的Flash芯片，包括NandFlash和NorFlash.支持在Flash上运行的常用文件系统有cramfs、jffs、jffs2、yaffs、yaffs2等.cramfs文件系统是只读文件系统.如果想在Flash上实现读写操作，通常在NorFlash上我们会选取jffs及jffs2文件系统，在NandFlash上选用yaffs或yaffs2文件系统.Yaffs2文件系统支持大页(大于512字节/页)的NandFlash存储器. *****************************************************************************************************************装载声明：原文链接*****************************************************************************************************************

2. 多种嵌入式文件系统的制作和移植

2.1. 嵌入式Linux文件系统简介

   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。 

2.2. 基于RAM的文件系统

2.2.1. initramfs

   initramfs在编译内核的同时被编译并与内核生成一个映像文件，可以压缩也可以不压缩，但是目前只支持cpio包格式。它是根文件系统制作和制作的一种非常简单的方法，也可以通过执行这个文件系统中的程序引导真正的文件系统，这样加载根文件系统的工作就不是内核的工作，而是initramfs的工作。由于initramfs使用cpio包格式，所以很容易将一个单一的文件、目录、node编译链接到系统中去，这样很简单的系统中使用起来很方便，不需要另外挂接文件系统。
但是因为cpio包实际是文件、目录、节点的描述语言包，为了描述一个文件、目录、节点，要增加很多额外的描述文字开销，特别是对于目录和节点，本身很小额外添加的描述文字却很多，这样使得cpio包比相应的image文件大很多。 

2.2.2. Ramdisk

ramdisk是一种基于内存的虚拟文件系统(并非一个实际的文件系统)，它将一部分固定大小(这个大小在编译内核的make menuconfig时配置)的内存当作硬盘一个分区来使用。ramdisk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，通常我们会使用ext2或ext3文件系统来格式化它。由于ramdisk是在内存中进行操作的，所以我们可以对里面的文件进行添加，修改，删除等等操作，但是一掉电，就什么也没有了。由于这个特性，我们可以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，这样可以明显地提高系统的性能。在Linux的启动阶段，内核和ramdisk都是由 bootloader在启动时加载至内存的指定位置()，而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。initrd 是boot loader initialized RAM disk，顾名思义是在系统初始化引导时候用的ramdisk，它的作用是完善内核的模块机制，让内核的初始化流程更具弹性。　

2.2.3. 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。但他们都不可以像ramdisk一样作为根文件系统，而只能想procfs，devfs一样作为伪文件系统使用。

2.2.4. NFS

　　NFS网络文件系统（Network File System）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。

2.2.5. 伪文件系统

  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(除tmpfs和ramfs外)。实际上，