玩轉(zhuǎn)Linux，先把文件系統(tǒng)搞懂

Linux 支持多種文件系統(tǒng)，包括 ext2 、 ext3 、 vfat 、 ntfs 、 iso9660 、 jffs 、 romfs 和 nfs 等，為了對(duì)各類文件系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理， Linux 引入了虛擬文件系統(tǒng) VFS（Virtual File System） ，為各類文件系統(tǒng)提供一個(gè)統(tǒng)一的操作界面和應(yīng)用編程接口。

Linux 下的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

Linux 啟動(dòng)時(shí)，第一個(gè)必須掛載的是根文件系統(tǒng)；若系統(tǒng)不能從指定設(shè)備上掛載根文件系統(tǒng)，則系統(tǒng)會(huì)出錯(cuò)而退出啟動(dòng)。之后可以自動(dòng)或手動(dòng)掛載其他的文件系統(tǒng)。因此，一個(gè)系統(tǒng)中可以同時(shí)存在不同的文件系統(tǒng)。

不同的文件系統(tǒng)類型有不同的特點(diǎn)，因而根據(jù) 存儲(chǔ) 設(shè)備的硬件特性、系統(tǒng)需求等有不同的應(yīng)用場(chǎng)合。在嵌入式 Linux 應(yīng)用中，主要的 存儲(chǔ) 設(shè)備為 RAM（DRAM， SDRAM） 和 ROM（ 常采用 FLASH 存儲(chǔ)器 ） ，常用的基于存儲(chǔ)設(shè)備的文件系統(tǒng)類型包括： jffs2， yaffs， cramfs， romfs， ramdisk， ramfs/tmpfs 等。

1. 基于 FLASH 的文件系統(tǒng)

Flash （ 閃存 ） 作為嵌入式系統(tǒng)的主要存儲(chǔ)媒介，有其自身的特性。 Flash 的寫入操作只能把對(duì)應(yīng)位置的 1 修改為 0 ，而不能把 0 修改為 1（ 擦除 Flash 就是把對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)塊的內(nèi)容恢復(fù)為 1） ，因此，一般情況下，向 Flash 寫入內(nèi)容時(shí)，需要先擦除對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)間，這種擦除是以塊 （block） 為單位進(jìn)行的。

閃存主要有 NOR 和 NAND 兩種技術(shù) （ 簡(jiǎn)單比較見附錄 ） 。 Flash 存儲(chǔ)器的擦寫次數(shù)是有限的， NAND 閃存還有特殊的硬件接口和讀寫時(shí)序。因此，必須針對(duì) Flash 的硬件特性設(shè)計(jì)符合應(yīng)用要求的文件系統(tǒng)；傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)如 ext2 等，用作 Flash 的文件系統(tǒng)會(huì)有諸多弊端。

在嵌入式 Linux 下， MTD（Memory Technology Device， 存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)備 ） 為底層硬件 （ 閃存 ） 和上層 （ 文件系統(tǒng) ） 之間提供一個(gè)統(tǒng)一的抽象接口，即 Flash 的文件系統(tǒng)都是基于 MTD 驅(qū)動(dòng)層的 （ 參見上面的 Linux 下的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ） 。使用 MTD 驅(qū)動(dòng)程序的主要優(yōu)點(diǎn)在于，它是專門針對(duì)各種非易失性存儲(chǔ)器 （ 以閃存為主 ） 而設(shè)計(jì)的，因而它對(duì) Flash 有更好的支持、管理和基于扇區(qū)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(gè)分區(qū)，各分區(qū)可以采用不同的文件系統(tǒng)；兩塊 Flash 芯片也可以合并為一個(gè)分區(qū)使用，采用一個(gè)文件系統(tǒng)。即文件系統(tǒng)是針對(duì)于存儲(chǔ)器分區(qū)而言的，而非存儲(chǔ)芯片。

（1） jffs2

JFFS 文件系統(tǒng)最早是由瑞典 Axis Communications 公司基于 Linux2.0 的內(nèi)核為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的文件系統(tǒng)。 JFFS2 是 RedHat 公司基于 JFFS 開發(fā)的閃存文件系統(tǒng)，最初是針對(duì) RedHat 公司的嵌入式產(chǎn)品 eCos 開發(fā)的嵌入式文件系統(tǒng)，所以 JFFS2 也可以用在 Linux， uCLinux 中。

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

主要用于 NOR 型閃存，基于 MTD 驅(qū)動(dòng)層，特點(diǎn)是：可讀寫的、支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮的、基于哈希表的日志型文件系統(tǒng)，并提供了崩潰 / 掉電 安全 保護(hù)，提供 “ 寫平衡 ” 支持等。缺點(diǎn)主要是當(dāng)文件系統(tǒng)已滿或接近滿時(shí)，因?yàn)槔占年P(guān)系而使 jffs2 的運(yùn)行速度大大放慢。

目前 jffs3 正在開發(fā)中。關(guān)于 jffs 系列文件系統(tǒng)的使用詳細(xì)文檔，可參考 MTD 補(bǔ)丁包中 mtd-jffs-HOWTO.txt 。

jffsx 不適合用于 NAND 閃存主要是因?yàn)?NAND 閃存的容量一般較大，這樣導(dǎo)致 jffs 為維護(hù)日志節(jié)點(diǎn)所占用的內(nèi)存空間迅速增大，另外， jffsx 文件系統(tǒng)在掛載時(shí)需要掃描整個(gè) FLASH 的內(nèi)容，以找出所有的日志節(jié)點(diǎn)，建立文件結(jié)構(gòu)，對(duì)于大容量的 NAND 閃存會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。

（2） yaffs ： Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2 是專為嵌入式系統(tǒng)使用 NAND 型閃存而設(shè)計(jì)的一種日志型文件系統(tǒng)。與 jffs2 相比，它減少了一些功能 （ 例如不支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮 ） ，所以速度更快，掛載時(shí)間很短，對(duì)內(nèi)存的占用較小。另外，它還是跨平臺(tái)的文件系統(tǒng)，除了 Linux 和 eCos ，還支持 WinCE， pSOS 和 ThreadX 等。

yaffs/yaffs2 自帶 NAND 芯片的驅(qū)動(dòng)，并且為嵌入式系統(tǒng)提供了直接訪問文件系統(tǒng)的 API ，用戶可以不使用 Linux 中的 MTD 與 VFS ，直接對(duì)文件系統(tǒng)操作。當(dāng)然， yaffs 也可與 MTD 驅(qū)動(dòng)程序配合使用。

yaffs 與 yaffs2 的主要區(qū)別在于，前者僅支持小頁(yè) （512 Bytes） NAND 閃存，后者則可支持大頁(yè) （2KB） NAND 閃存。同時(shí)， yaffs2 在內(nèi)存空間占用、垃圾回收速度、讀 / 寫速度等方面均有大幅提升。

（3） Cramfs ： Compressed ROM File System

Cramfs 是 Linux 的創(chuàng)始人 Linus Torvalds 參與開發(fā)的一種只讀的壓縮文件系統(tǒng)。它也基于 MTD 驅(qū)動(dòng)程序。

在 cramfs 文件系統(tǒng)中，每一頁(yè) （4KB） 被單獨(dú)壓縮，可以隨機(jī)頁(yè)訪問，其壓縮比高達(dá) 2:1， 為嵌入式系統(tǒng)節(jié)省大量的 Flash 存儲(chǔ)空間，使系統(tǒng)可通過更低容量的 FLASH 存儲(chǔ)相同的文件，從而降低系統(tǒng)成本。

Cramfs 文件系統(tǒng)以壓縮方式存儲(chǔ)，在運(yùn)行時(shí)解壓縮，所以不支持應(yīng)用程序以 XIP 方式運(yùn)行，所有的應(yīng)用程序要求被拷到 RAM 里去運(yùn)行，但這并不代表比 Ramfs 需求的 RAM 空間要大一點(diǎn)，因?yàn)?Cramfs 是采用分頁(yè)壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時(shí)，不會(huì)一下子就耗用過多的內(nèi)存空間，只針對(duì)目前實(shí)際讀取的部分分配內(nèi)存，尚沒有讀取的部分不分配內(nèi)存空間，當(dāng)我們讀取的檔案不在內(nèi)存時(shí)， Cramfs 文件系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算壓縮后的資料所存的位置，再即時(shí)解壓縮到 RAM 中。

另外，它的速度快，效率高，其只讀的特點(diǎn)有利于保護(hù)文件系統(tǒng)免受破壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。

由于以上特性， Cramfs 在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

但是它的只讀屬性同時(shí)又是它的一大缺陷，使得用戶無法對(duì)其內(nèi)容對(duì)進(jìn)擴(kuò)充。

Cramfs 映像通常是放在 Flash 中，但是也能放在別的文件系統(tǒng)里，使用 loopback 設(shè)備可以把它安裝別的文件系統(tǒng)里。

（4） Romfs

傳統(tǒng)型的 Romfs 文件系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)單的、緊湊的、只讀的文件系統(tǒng)，不支持動(dòng)態(tài)擦寫保存，按順序存放數(shù)據(jù)，因而支持應(yīng)用程序以 XIP（eXecute In Place ，片內(nèi)運(yùn)行 ） 方式運(yùn)行，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，節(jié)省 RAM 空間。 uC linux 系統(tǒng)通常采用 Romfs 文件系統(tǒng)。

其他文件系統(tǒng)： fat/fat32 也可用于實(shí)際嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)展存儲(chǔ)器 （ 例如 PDA， Smartphone， 數(shù)碼相機(jī)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(tǒng)相兼容。 ext2 也可以作為嵌入式 Linux 的文件系統(tǒng)，不過將它用于 FLASH 閃存會(huì)有諸多弊端。