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嵌入式系統檔案系統比較

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嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起,它的升級換代也是和具體產品同步進行,因此嵌入式系統產品一旦進入市場,具有較長的生命週期。下面是小編整理的關於嵌入式系統的檔案系統,歡迎大家參考!

嵌入式系統檔案系統比較

Linux支援多種檔案系統,包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等,爲了對各類檔案系統 進行統一管理,Linux引入了虛擬檔案系統VFS(Virtual File System),爲各類檔案系統提供一個統一的操作介面和應用編程接口。

Linux啓動時,第一個必須掛載的是根檔案系統;若系統不能從指定設備上掛載根檔案系統,則系統會出錯而退出啓動。之後可以自動或手動掛載其他的檔案系統。因此,一個系統中可以同時存在不同的檔案系統。

不同的檔案系統類型有不同的特點,因而根據存儲設備的硬件特性、系統需求等有不同的應用場合。在嵌入式Linux應用中,主要的存儲設備爲 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常採用FLASH存儲器),常用的基於存儲設備的檔案系統類型包括:jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

1. 基於FLASH的檔案系統

Flash(閃存)作爲嵌入式系統的主要存儲媒介,有其自身的特性。Flash的寫入操作只能把對應位置的1修改爲0,而不能把0修改爲1(擦 除Flash就是把對應存儲塊的內容恢復爲1),因此,一般情況下,向Flash寫入內容時,需要先擦除對應的存儲區間,這種擦除是以塊(block)爲 單位進行的。

閃存主要有NOR和NAND兩種技術(簡單比較見附錄)。Flash存儲器的擦寫次數是有限的,NAND閃存還有特殊的硬件接口和讀寫時序。因 此,必須針對Flash的硬件特性設計符合應用要求的檔案系統;傳統的檔案系統如ext2等,用作Flash的檔案系統會有諸多弊端。

在嵌入式Linux下,MTD(Memory Technology Device,存儲技術設備)爲底層硬件(閃存)和上層(檔案系統)之間提供一個統一的抽象接口,即Flash的檔案系統都是基於MTD驅動層的(參見上 面的Linux下的檔案系統結構圖)。使用MTD驅動程序的主要優點在於,它是專門針對各種非易失性存儲器(以閃存爲主)而設計的,因而它對Flash有 更好的支援、管理和基於扇區的擦除、讀/寫操作接口。

順便一提,一塊Flash芯片可以被劃分爲多個分區,各分區可以採用不同的.檔案系統;兩塊Flash芯片也可以合併爲一個分區使用,採用一個檔案系統。即檔案系統是針對於存儲器分區而言的,而非存儲芯片。

(1) jffs2

JFFS檔案系統最早是由瑞典Axis Communications公司基於Linux2.0的內核爲嵌入式系統開發的檔案系統。JFFS2是RedHat公司基於JFFS開發的閃存檔案系 統,最初是針對RedHat公司的嵌入式產品eCos開發的嵌入式檔案系統,所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

Jffs2: 日誌閃存檔案系統版本2 (Journalling Flash FileSystem v2)

主要用於NOR型閃存,基於MTD驅動層,特點是:可讀寫的、支援數據壓縮的、基於哈希表的日誌型檔案系統,並提供了崩潰/掉電安全保護,提供“寫平衡”支援等。缺點主要是當檔案系統已滿或接近滿時,因爲垃圾收集的關係而使jffs2的執行速度大大放慢。

目前jffs3正在開發中。關於jffs系列檔案系統的使用詳細文檔,可參考MTD補丁包中。

jffsx不適合用於NAND閃存主要是因爲NAND閃存的容量一般較大,這樣導致jffs爲維護日誌節點所佔用的內存空間迅速增大,另 外,jffsx檔案系統在掛載時需要掃描整個FLASH的內容,以找出所有的日誌節點,建立檔案結構,對於大容量的NAND閃存會耗費大量時間。

(2) yaffs:Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2是專爲嵌入式系統使用NAND型閃存而設計的一種日誌型檔案系統。與jffs2相比,它減少了一些功能(例如不支援數 據壓縮),所以速度更快,掛載時間很短,對內存的佔用較小。另外,它還是跨平臺的檔案系統,除了Linux和eCos,還支援WinCE, pSOS和ThreadX等。

yaffs/yaffs2自帶NAND芯片的驅動,並且爲嵌入式系統提供了直接訪問檔案系統的API,用戶可以不使用Linux中的MTD與VFS,直接對檔案系統操作。當然,yaffs也可與MTD驅動程序配合使用。

yaffs與yaffs2的主要區別在於,前者僅支援小頁(512 Bytes) NAND閃存,後者則可支援大頁(2KB) NAND閃存。同時,yaffs2在內存空間佔用、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的創始人 Linus Torvalds參與開發的一種只讀的壓縮檔案系統。它也基於MTD驅動程序。

在cramfs檔案系統中,每一頁(4KB)被單獨壓縮,可以隨機頁訪問,其壓縮比高達2:1,爲嵌入式系統節省大量的Flash存儲空間,使系統可透過更低容量的FLASH存儲相同的檔案,從而降低系統成本。

Cramfs檔案系統以壓縮方式存儲,在執行時解壓縮,所以不支援應用程序以XIP方式執行,所有的應用程序要求被拷到RAM裏去執行,但這並 不代表比Ramfs需求的RAM空間要大一點,因爲Cramfs是採用分頁壓縮的方式存放檔案,在讀取檔案時,不會一下子就耗用過多的內存空間,只針對目 前實際讀取的部分分配內存,尚沒有讀取的部分不分配內存空間,當我們讀取的檔案不在內存時,Cramfs檔案系統自動計算壓縮後的資料所存的位置,再即時 解壓縮到RAM中。

另外,它的速度快,效率高,其只讀的特點有利於保護檔案系統免受破壞,提高了系統的可靠性。

由於以上特性,Cramfs在嵌入式系統中應用廣泛。

但是它的只讀屬性同時又是它的一大缺陷,使得用戶無法對其內容對進擴充。

Cramfs映像通常是放在Flash中,但是也能放在別的檔案系統裏,使用loopback 設備可以把它安裝別的檔案系統裏。

(4) Romfs

傳統型的Romfs檔案系統是一種簡單的、緊湊的、只讀的檔案系統,不支援動態擦寫儲存,按順序存放數據,因而支援應用程序以 XIP(eXecute In Place,片內執行)方式執行,在系統執行時,節省RAM空間。uClinux系統通常採用Romfs檔案系統。

其他檔案系統:fat/fat32也可用於實際嵌入式系統的擴展存儲器(例如PDA, Smartphone, 數碼相機等的SD卡),這主要是爲了更好的與最流行的Windows桌面操作系統相相容。ext2也可以作爲嵌入式Linux的檔案系統,不過將它用於 FLASH閃存會有諸多弊端。

2. 基於RAM的檔案系統

(1) Ramdisk

Ramdisk是將一部分固定大小的內存當作分區來使用。它並非一個實際的檔案系統,而是一種將實際的檔案系統裝入內存的機制,並且可以作爲根 檔案系統。將一些經常被訪問而又不會更改的檔案(如只讀的根檔案系統)透過Ramdisk放在內存中,可以明顯地提高系統的性能。

在Linux的啓動階段,initrd提供了一套機制,可以將內核映像和根檔案系統一起載入內存。

(2)ramfs/tmpfs

Ramfs是Linus Torvalds開發的一種基於內存的檔案系統,工作於虛擬檔案系統(VFS)層,不能格式化,可以創建多個,在創建時可以指定其最大能使用的內存大 小。(實際上,VFS本質上可看成一種內存檔案系統,它統一了檔案在內核中的表示方式,並對磁盤檔案系統進行緩衝。)

Ramfs/tmpfs檔案系統把所有的檔案都放在RAM中,所以讀/寫操作發生在RAM中,可以用ramfs/tmpfs來存儲一些臨時性或經常要修改的數據,例如/tmp和/var目錄,這樣既避免了對Flash存儲器的讀寫損耗,也提高了數據讀寫速度。

Ramfs/tmpfs相對於傳統的Ramdisk的不同之處主要在於:不能格式化,檔案系統大小可隨所含檔案內容大小變化。

Tmpfs的一個缺點是當系統重新引導時會丟失所有數據。

3. 網絡檔案系統NFS (Network File System)

NFS是由Sun開發並發展起來的一項在不同機器、不同操作系統之間透過網絡共享檔案的技術。在嵌入式Linux系統的開發調試階段,可以利用該技術在主機上建立基於NFS的根檔案系統,掛載到嵌入式設備,可以很方便地修改根檔案系統的內容。

以上討論的都是基於存儲設備的檔案系統(memory-based file system),它們都可用作Linux的根檔案系統。實際上,Linux還支援邏輯的或僞檔案系統(logical or pseudo file system),例如procfs(proc檔案系統),用於獲取系統資訊,以及devfs(設備檔案系統)和sysfs,用於維護設備檔案。

附錄:NOR閃存與NAND閃存比較

NOR FLASH

NAND FLASH

接口時序同SRAM,易使用

地址/數據線複用,數據位較窄

讀取速度較快

讀取速度較慢

擦除速度慢,以64-128KB的塊爲單位

擦除速度快,以8-32KB的塊爲單位

寫入速度慢(因爲一般要先擦除)

寫入速度快

隨機存取速度較快,支援XIP(eXecute In Place,芯片內執行),適用於代碼存儲。在嵌入式系統中,常用於存放引導程序、根檔案系統等。

順序讀取速度較快,隨機存取速度慢,適用於數據存儲(如大容量的多媒體應用)。在嵌入式系統中,常用於存放用戶檔案系統等。

單片容量較小,1-32MB

單片容量較大,8-128MB,提高了單元密度