基于NAND閃存的文件系統(tǒng)YAFFS在嵌入式系統(tǒng)中的應用

　　目前，針對NOR Flash設計的文件系統(tǒng)JFFS/JFFS2在嵌入式系統(tǒng)中已得到廣泛的應用;隨著NAND作為大容量存儲介質(zhì)的普及，基于NAND閃存的文件系統(tǒng)YAFFS(Yet Another Flash File System)正逐漸被應用到嵌入式系統(tǒng)中。

　　NAND閃存介紹

　　NOR 和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失性閃存技術。NOR比較適合存儲程序代碼，其容量一般小于16MB;NAND則是高密度數(shù)據(jù)存儲的理想解決方案，其容量可達1GB以上。NAND閃存的存儲單元為頁和塊。一般來說，128MB以下容量芯片的一頁大小為528字節(jié)，依次分為2個256字節(jié)的主數(shù)據(jù)區(qū)，最后是16字節(jié)的備用空間;一個塊由若干頁組成，通常為32頁;一個存儲設備又由若干塊組成。與其他存儲器相比，NAND閃存具有以下特點：不是完全可靠的，每塊芯片出廠時都有一定比例的壞塊存在;各個存儲單元是不可直接改寫的，在每次改寫操作之前需要先擦除;擦除操作以塊為單位進行，而讀寫操作通常以頁為單位進行;各塊的擦除次數(shù)有限，一般為10萬"100萬次;使用復雜的I/O口串行存取數(shù)據(jù)。

　　YAFFS文件系統(tǒng)簡介

　　YAFFS類似于JFFS/JFFS2，是專門為NAND閃存設計的嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲設備。它是日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，提供了損耗平衡和掉電保護，可以有效地避免意外掉電對文件系統(tǒng)一致性和完整性的影響。YAFFS文件系統(tǒng)是按層次結(jié)構(gòu)設計的，分為文件系統(tǒng)管理層接口、YAFFS內(nèi)部實現(xiàn)層和NAND接口層，這樣就簡化了其與系統(tǒng)的接口設計，可以方便地集成到系統(tǒng)中去。與JFFS相比，它減少了一些功能，因此速度更快，占用內(nèi)存更少。

　　YAFFS充分考慮了NAND閃存的特點，根據(jù)NAND閃存以頁面為單位存取的特點，將文件組織成固定大小的數(shù)據(jù)段。利用NAND閃存提供的每個頁面16字節(jié)的備用空間來存放ECC(Error Correction Code)和文件系統(tǒng)的組織信息，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)錯誤檢測和壞塊處理，也能夠提高文件系統(tǒng)的加載速度。YAFFS采用一種多策略混合的垃圾回收算法，結(jié)合了貪心策略的高效性和隨機選擇的平均性，達到了兼顧損耗平均和系統(tǒng)開銷的目的。

　　YAFFS文件組織結(jié)構(gòu)

　　YAFFS將文件組織成固定大小(512字節(jié))的數(shù)據(jù)段。每個文件都有一個頁面專門存放文件頭，文件頭保存了文件的模式、所有者id、組id、長度、文件名等信息。為了提高文件數(shù)據(jù)塊的查找速度，文件的數(shù)據(jù)段被組織成樹形結(jié)構(gòu)。YAFFS在文件進行改寫時總是先寫入新的數(shù)據(jù)塊，然后將舊的數(shù)據(jù)塊從文件中刪除。YAFFS使用存放在頁面?zhèn)溆每臻g中的ECC進行錯誤檢測，出現(xiàn)錯誤后會進行一定次數(shù)的重試，多次重試失敗后，該頁面就被停止使用。

　　YAFFS物理數(shù)據(jù)組織

　　YAFFS充分利用了NAND閃存提供的每個頁面16字節(jié)的備用空間，參考了SmartMedia的設定，備用空間中6個字節(jié)被用作頁面數(shù)據(jù)的ECC，2個字節(jié)分別用作塊狀態(tài)字和數(shù)據(jù)狀態(tài)字，其余的8字節(jié)(64位)用來存放文件系統(tǒng)的組織信息，即元數(shù)據(jù)。由于文件系統(tǒng)的基本組織信息保存在頁面的備份空間中，因此，在文件系統(tǒng)加載時只需要掃描各個頁面的備份空間，即可建立起整個文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而不需要像JFFS 那樣掃描整個介質(zhì)，從而大大加快了文件系統(tǒng)的加載速度。

　　YAFFS擦除塊和頁面分配

　　YAFFS中用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述每個擦除塊的狀態(tài)。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄了塊狀態(tài)，并用一個32位的位圖表示塊內(nèi)各個頁面的使用情況。在YAFFS中，有且僅有一個塊處于“當前分配”狀態(tài)。新頁面從當前進行分配的塊中順序進行分配，若當前塊已滿，則順序?qū)ふ蚁乱粋€空閑塊。

　　YAFFS垃圾收集機制

　　YAFFS使用一種多策略混合的算法來進行垃圾回收，將貪心策略和隨機選擇策略按一定比例混合使用：當滿足特定的小概率條件時，垃圾回收器會試圖隨機選擇一個可回收的頁面;而在其他情況下，則使用貪心策略回收最“臟”的塊。通過使用多策略混合的方法，YAFFS能夠有效地改善貪心策略造成的不平均;通過不同的混合比例，則可以控制損耗平均和系統(tǒng)開銷之間的平衡?？紤]到NAND的擦除很快(和NOR相比可忽略不計)，YAFFS將垃圾收集的檢查放在寫入新頁面時進行，而不是采用JFFS那樣的后臺線程方式，從而簡化了設計。

　　YAFFS實現(xiàn)開發(fā)環(huán)境簡介

　　本文采用的是宿主機+目標板的開發(fā)模式。宿主機為PC+REDHAT9.0,目標板為三星公司的S3C2410+嵌入式Linux，版本為2.6.11.12。NAND閃存是三星公司64MB的K9F5608U0C。YAFFS的源碼可以從網(wǎng)站下載。

　　YAFFS移植：

　　1)在內(nèi)核中建立YAFFS目錄fs/yaffs，并把下載的YAFFS代碼復制到該目錄下面。

　　2)修改fs/Kconfig，使得可以配置YAFFS。

　　3)修改fs/makefile，添加如下內(nèi)容：obj-$(CONFIG_YAFFS_FS) += yaffs/

　　4)在生成的YAFFS目錄中生成Makefile 和Kconfig文件。

　　5)修改NAND分區(qū)。此分區(qū)要結(jié)合vivi里的分區(qū)進行設置，如下：

　　6)配置內(nèi)核時選中MTD支持和YAFFS支持。

　　7)編譯內(nèi)核并將內(nèi)核下載到開發(fā)板的Flash中。

　　YAFFS文件系統(tǒng)測試：

　　1)內(nèi)核啟動之后，啟動信息中應該含有如下內(nèi)容：

　　2)如果在內(nèi)核里面添加了proc文件系統(tǒng)的支持，那么proc中應該包含有關YAFFS的信息。

　　3)dev目錄下的相關目錄中包括有關NAND設備的信息。

　　4)建立mount目錄

　　將文件拷貝到mount上的目錄下后，umount設備，再次mount后可以發(fā)現(xiàn)拷貝的文件仍然存在。這時刪除該文件，然后umount，再次mount后可以發(fā)現(xiàn)拷貝的文件已經(jīng)被刪除，由此可見該分區(qū)可以正常讀寫。

　　5)在Flash上建立根文件系統(tǒng)：

　　重新啟動，并改變啟動參數(shù)：param set linux_cmd_line "noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console="ttySAC0""再次重新啟動后，開發(fā)板就可以從Flash啟動根文件系統(tǒng)了。

　　結(jié)語

　　YAFFS是專門為NAND閃存設計的,它的出現(xiàn)使得價格低廉的NAND閃存芯片具有了高效性和健壯性。YAFFS文件系統(tǒng)性能優(yōu)越且易于移植，已經(jīng)成功應用于Linux、?Clinux和Windows CE等嵌入式操作系統(tǒng)上。現(xiàn)在，每頁大小為2Kb的新型超大容量NAND閃存已經(jīng)出現(xiàn)，針對這種Flash的文件系統(tǒng)YAFFS2正處于研究和應用當中?？梢灶A見，基于NAND閃存的文件系統(tǒng)YAFFS/ YAFFS2將會應用于更多的嵌入式系統(tǒng)。