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,為了對各類文件系統(tǒng)進行統(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)提供一個統(tǒng)一的操作界面和應(yīng)用編程接口。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201708/363315.htmLinux 下的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下:
Linux 啟動時,第一個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)會出錯而退出啟動。之后可以自動或手動掛載其他的文件系統(tǒng)。因此,一個系統(tǒng)中可以同時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,因而根據(jù) 存儲 設(shè)備的硬件特性、系統(tǒng)需求等有不同的應(yīng)用場合。在嵌入式 Linux 應(yīng)用中,主要的 存儲 設(shè)備為 RAM(DRAM, SDRAM) 和 ROM( 常采用 FLASH 存儲器 ) ,常用的基于存儲設(shè)備的文件系統(tǒng)類型包括: jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs 等。
基于 FLASH 的文件系統(tǒng)
Flash ( 閃存 ) 作為嵌入式系統(tǒng)的主要存儲媒介,有其自身的特性。 Flash 的寫入操作只能把對應(yīng)位置的 1 修改為 0 ,而不能把 0 修改為 1( 擦除 Flash 就是把對應(yīng)存儲塊的內(nèi)容恢復(fù)為 1) ,因此,一般情況下,向 Flash 寫入內(nèi)容時,需要先擦除對應(yīng)的存儲區(qū)間,這種擦除是以塊 (block) 為單位進行的。
閃存主要有 NOR 和 NAND 兩種技術(shù) ( 簡單比較見附錄 ) 。 Flash 存儲器的擦寫次數(shù)是有限的, NAND 閃存還有特殊的硬件接口和讀寫時序。因此,必須針對 Flash 的硬件特性設(shè)計符合應(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)會有諸多弊端。
在嵌入式 Linux 下, MTD(Memory Technology Device, 存儲技術(shù)設(shè)備 ) 為底層硬件 ( 閃存 ) 和上層 ( 文件系統(tǒng) ) 之間提供一個統(tǒng)一的抽象接口,即 Flash 的文件系統(tǒng)都是基于 MTD 驅(qū)動層的 ( 參見上面的 Linux 下的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ) 。使用 MTD 驅(qū)動程序的主要優(yōu)點在于,它是專門針對各種非易失性存儲器 ( 以閃存為主 ) 而設(shè)計的,因而它對 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分區(qū)使用,采用一個文件系統(tǒng)。即文件系統(tǒng)是針對于存儲器分區(qū)而言的,而非存儲芯片。
(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 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)動層,特點是:可讀寫的、支持數(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,提供 “ 寫平衡 ” 支持等。缺點主要是當(dāng)文件系統(tǒng)已滿或接近滿時,因為垃圾收集的關(guān)系而使 jffs2 的運行速度大大放慢。
目前 jffs3 正在開發(fā)中。關(guān)于 jffs 系列文件系統(tǒng)的使用詳細文檔,可參考 MTD 補丁包中 mtd-jffs-HOWTO.txt 。
jffsx 不適合用于 NAND 閃存主要是因為 NAND 閃存的容量一般較大,這樣導(dǎo)致 jffs 為維護日志節(jié)點所占用的內(nèi)存空間迅速增大,另外, jffsx 文件系統(tǒng)在掛載時需要掃描整個 FLASH 的內(nèi)容,以找出所有的日志節(jié)點,建立文件結(jié)構(gòu),對于大容量的 NAND 閃存會耗費大量時間。
(2) yaffs : Yet Another Flash File System
yaffs/yaffs2 是專為嵌入式系統(tǒng)使用 NAND 型閃存而設(shè)計的一種日志型文件系統(tǒng)。與 jffs2 相比,它減少了一些功能 ( 例如不支持數(shù)據(jù)壓縮 ) ,所以速度更快,掛載時間很短,對內(nèi)存的占用較小。另外,它還是跨平臺的文件系統(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,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 ,直接對文件系統(tǒng)操作。當(dāng)然, yaffs 也可與 MTD 驅(qū)動程序配合使用。
yaffs 與 yaffs2 的主要區(qū)別在于,前者僅支持小頁 (512 Bytes) NAND 閃存,后者則可支持大頁 (2KB) NAND 閃存。同時, 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)動程序。
在 cramfs 文件系統(tǒng)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, 為嵌入式系統(tǒng)節(jié)省大量的 Flash 存儲空間,使系統(tǒng)可通過更低容量的 FLASH 存儲相同的文件,從而降低系統(tǒng)成本。
Cramfs 文件系統(tǒng)以壓縮方式存儲,在運行時解壓縮,所以不支持應(yīng)用程序以 XIP 方式運行,所有的應(yīng)用程序要求被拷到 RAM 里去運行,但這并不代表比 Ramfs 需求的 RAM 空間要大一點,因為 Cramfs 是采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(nèi)存空間,只針對目前實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, Cramfs 文件系統(tǒng)自動計算壓縮后的資料所存的位置,再即時解壓縮到 RAM 中。
另外,它的速度快,效率高,其只讀的特點有利于保護文件系統(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又是它的一大缺陷,使得用戶無法對其內(nèi)容對進擴充。
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)是一種簡單的、緊湊的、只讀的文件系統(tǒng),不支持動態(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)運行 ) 方式運行,在系統(tǒng)運行時,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 也可用于實際嵌入式系統(tǒng)的擴展存儲器 ( 例如 PDA, Smartphone, 數(shù)碼相機等的 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 閃存會有諸多弊端。
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