在C51系統(tǒng)上實現(xiàn)YAFFS文件系統(tǒng)
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1 NAND Flash的特點
非易失性閃速存儲器Flash具有速度快、成本低、密度大的特點，被廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)中。Flash存儲器主要有NOR和NAND兩種類型。NOR型比較適合存儲程序代碼;NAND型則可用作大容量數據存儲。NAND閃存的存儲單元為塊和頁。本文使用的Samsung公司的K9F5608包括2 048塊，每一塊又包括32頁，一頁大小為528字節(jié)，依次分為2個256字節(jié)的數據區(qū)，最后是16字節(jié)的備用空間。
K9F5608具有以下特點： 以頁為單位進行讀/寫操作，而擦除操作以塊為單位，讀、寫和擦除操作均通過命令完成；不能字節(jié)擦除，在每次改寫操作之前需要先擦除一整塊；出廠時有一定比例的壞塊存在；每一塊的擦除次數有限，為10萬次左右[1]。
2 YAFFS文件系統(tǒng)簡介
YAFFS是第一個專門為NAND Flash存儲器設計的嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲設備；并且是在GPL（General Public License）協(xié)議下發(fā)布的，可在其網站免費獲得源代碼。
YAFFS中，文件是以固定大小的數據塊進行存儲的，塊的大小可以是512字節(jié)、1 024字節(jié)或者2 048字節(jié)。這種實現(xiàn)依賴于它能夠將一個數據塊頭和每個數據塊關聯(lián)起來。每個文件（包括目錄）都有一個數據塊頭與之相對應，數據塊頭中保存了ECC(Error Correction Code)和文件系統(tǒng)的組織信息，用于錯誤檢測和壞塊處理。充分考慮了NAND Flash的特點，YAFFS把這個數據塊頭存儲在Flash的16字節(jié)備用空間中。當文件系統(tǒng)被掛載時，只須掃描存儲器的備用空間就能將文件系統(tǒng)信息讀入內存，并且駐留在內存中，不僅加快了文件系統(tǒng)的加載速度，也提高了文件的訪問速度，但是增加了內存的消耗。
為了在節(jié)省內存的同時提高文件數據塊的查找速度，YAFFS利用更高效的映射結構把文件位置映射到物理位置。文件的數據段被組織成樹型結構，這個樹型結構具有32字節(jié)的節(jié)點，每個內部節(jié)點都包括8個指向其他節(jié)點的指針，葉節(jié)點包括16個2字節(jié)的指向物理地址的指針。YAFFS在文件進行改寫時總是先寫入新的數據塊，然后將舊的數據塊從文件中刪除。這樣即使在修改文件時意外掉電，丟失的也只是這一次修改數據的最小寫入單位，從而實現(xiàn)了掉電保護，保證了數據完整性。
結合貪心算法的高效性和隨機選擇的平均性，YAFFS實現(xiàn)了兼顧損耗平均和減小系統(tǒng)開銷的目的。當滿足特定的小概率條件時，就會嘗試隨機選擇一個可回收的頁面；而在其他情況下，則使用貪心算法來回收最“臟”的塊[2]。
YAFFS文件系統(tǒng)是按層次結構設計的，分成以下4部分： yaffs_guts.c，文件系統(tǒng)的主要算法，這部分代碼完全是用可移植的C語言編寫的；yaffs_fs.c，Linux VFS層的接口；NAND 接口，yaffs_guts 和NAND 內存訪問函數之間的包裝層，例如調用Linux mtd 層或者RAM模擬層；可移植函數，服務的包裝函數。最重要的一點是，為了獲得更好的移植性，YAFFS提供直接調用的模式，這才使得我們有機會來實現(xiàn)YAFFS文件系統(tǒng)在C51系統(tǒng)上的移植。
3 移植過程
可在http://www.aleph1.co.uk/cgi-bin/viewcvs.cgi/ 獲得direct源碼，包括以下幾個文件及其頭文件。
◆ yaffscfg.c： 設置各種設備參數和系統(tǒng)參數。
◆ yaffsfs.c： 主要實現(xiàn)直接調用的接口函數，如打開文件、寫文件和關閉文件等。 使用時在應用程序中包含其頭文件即可。
◆ yaffs_flashif.c： NAND Flash操作函數接口，就是直接對存儲器操作的底層函數。為了測試，此文件中用RAMDISK模擬的方法實現(xiàn)了對Flash存儲器的操作。實際應用中，需要修改其中對Flash硬件操作函數的定義，包括yflash_EraseBlockInNAND()、yflash_WriteChunkToNAND()、yflash_ReadChunkFromNAND()和yflash_InitialiseNAND()。
◆ yaffs_guts.c： YAFFS文件系統(tǒng)的主要實現(xiàn)算法。
◆ nand_ecc.c:： ECC算法。
◆ yaffs_ramdisk.c:： RAMDISK支持代碼。
◆ yaffs_fileem.c： 用主機上的一個文件來模擬Flash存儲器，僅用于測試。
◆ dtest.c:： 直接調用文件系統(tǒng)的測試函數。
獲得源碼以后，移植的過程可以分為2步：① 根據自己的需要進行裁減;② 將代碼向C51風格轉化。
3.1 裁減
YAFFS是一個功能強大的文件系統(tǒng)，考慮到C51系統(tǒng)的程序代碼存儲器和RAM資源都很有限，而應用中可能不需要某些文件操作的功能，所以有必要對這個文件系統(tǒng)進行裁減。裁減包括代碼裁減和數據結構的修改。
首先，將用來測試的yaffs_ramdisk.c、yaffs_ramdisk.h、yaffs_fileem.c和interface.h這幾個文件去掉，并在yaffscfg.c加上#include yaffs_flashif.h。
本系統(tǒng)中，只是對K9F5608中的3個數據庫文件進行讀/寫，一級目錄足夠，單用戶不存在操作權限問題，簡單的文件存儲不涉及連接（Linux類操作系統(tǒng)文件間的關系）問題，所以可在系統(tǒng)中刪除與目錄操作、操作權限以及文件連接相關的操作函數。
在yaffsfs.c及其頭文件中包括（省略yaffs_前綴）： readlink(), DumpDir(), readdir(), opendir(), lstat(), stat(), freespace(), chmod(), mkdir(), rename()，link()， closedir(), FollowLink(), fstat(), listclear(), fchmod(),sylink()和mknod()。
在yaffs_guts.c及其頭文件中包括（省略yaffs_前綴）： Renameobject(), mknodedirectoty(), mknodSymLink(), mknodSpecial(), Link(), GetAttributes()， GetSymLinkAlias(), root(), LostNFound(), GutsTest(), DumpObject(), GetNumberofFreeChunk()， GetObjectLInkCount()和GetEquivalentObject()。
然后根據自己的需要進行數據結構修改，與上文提到的目錄操作、操作權限以及文件連接相關的數據結構（如Uid、Gid、nlink等）對我們來說就沒有意義了，因此需要修改相關的數據結構。為了節(jié)省內存，還要修改一些宏定義的數據常量，例如同時在運行的句柄數目和文件名的最大長度等。
裁減工作最好能在一臺裝有Linux操作系統(tǒng)的機器上進行，可以邊裁減，邊利用模擬方式來檢查是否能實現(xiàn)自己所需的功能。
3.2 向C51風格轉化
YAFFS文件系統(tǒng)是在Linux環(huán)境下利用開發(fā)用戶程序的C語言開發(fā)的。它與C51是有些差別的，主要有：
◇ C51不支持__inline__函數修飾符，可以將其宏定義為空；
◇ u8、u16、u32都需要重新宏定義成為C51的數據類型unsigned char、unsigned int和unsigned long；
◇ off_t定義為long。
在YAFFS源代碼中有用data和bit作為變量的，而在C51中這些都是關鍵詞，須將其替換。
在YAFFS源代碼中yaffs_Device結構體的定義中使用了帶參數的函數指針，通過調用該指針指向的函數來對Flash硬件進行操作，而C51中通過寄存器函數指針來調用函數不能傳遞實際參數，除非所得參數可在寄存器間傳遞。因此這里將yaffs_Device結構體定義中的函數指針去掉，而直接調用yaffs_if.c中的Flash接口函數。
向C51風格轉化時，最好是在Keil集成開發(fā)環(huán)境中一邊修改，一邊編譯，發(fā)現(xiàn)錯誤后再進行修改。當編譯器提示有多個錯誤時，要從第一個錯誤開始修改；可能前面的錯誤修改完畢，后面的錯誤就不再是錯誤了。
4 C51系統(tǒng)下的YAFFS使用實例
下面的程序代碼是設計中的對DBF數據庫文件操作的關鍵代碼。
yaffs_StartUp();//設置一些參數，包括各分區(qū)在Flash中的起始塊和結束塊的地址、預留塊數等
yaffs_mount("/flash"); //YAFFS支持多個分區(qū)，這里選擇掛載/flash分區(qū)新建文件db1.dbf
f=yaffs_open("/flash/db1.dbf", O_CREAT,S_IREAD | S_IWRITE);
yaffs_close(f);//關閉文件db1.dbf
f=yaffs_open("/flash/db1.dbf", O_RDWR,0);//以讀/寫的方式打開文件db1.dbf
r=yaffs_write(f,"hello",5);//向文件寫數據
yaffs_lseek(f,2,SEEK_SET);//移動文件讀/寫指針
r=yaffs_write(f,"world",5);
r=yaffs_lseek(f,0,SEEK_SET);
r=yaffs_read(f,buffer,10);//從文件讀取數據
r=yaffs_close(f);//關閉文件db1.dbf
r=yaffs_unlink("/flash/db1.dbf");//刪除文件db1.dbf
可見， YAFFS的接口函數的使用方法與標準C語言中對文件的操作函數十分相似，簡單易用。
5 總結
YAFFS文件系統(tǒng)是第一個專門為NAND Flash存儲器編寫的嵌入式文件系統(tǒng)。它實現(xiàn)了掉電保護、疲勞均衡和有效的垃圾回收，與JFFS相比占用資源更少，運行速度更快；與FAT相比，更適合用于管理NAND Flash數據存儲器。在C51系統(tǒng)中如果需要實現(xiàn)Flash文件系統(tǒng)，那么移植YAFFS是個不錯的選擇，但是畢竟它是一個在32位機的Linux下開發(fā)出來的，要讓它能與8位機的C51風格完美結合，還需要進一步的努力。
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