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      Linux培訓
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      玩轉Linux第一步—搞懂文件系統

      • 發布:Linux培訓
      • 來源:網絡
      • 時間:2017-03-06 10:51

      Linux 支持多種文件系統,包括 ext2 、 ext3 、 vfat 、 ntfs 、 iso9660 、 jffs 、 romfs 和 nfs 等,為了對各類文件系統進行統一管理, Linux 引入了虛擬文件系統 VFS(Virtual File System) ,為各類文件系統提供一個統一的操作界面和應用編程接口。

      Linux 下的文件系統結構如下:

      Linux 啟動時,第一個必須掛載的是根文件系統;若系統不能從指定設備上掛載根文件系統,則系統會出錯而退出啟動。之后可以自動或手動掛載其他的文件系統。因此,一個系統中可以同時存在不同的文件系統。

      不同的文件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 設備為 RAM(DRAM, SDRAM) 和 ROM( 常采用 FLASH 存儲器 ) ,常用的基于存儲設備的文件系統類型包括: jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs 等。

      1. 基于 FLASH 的文件系統

      Flash ( 閃存 ) 作為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 修改為 0 ,而不能把 0 修改為 1( 擦除 Flash 就是把對應存儲塊的內容恢復為 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) 為單位進行的。

      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文件系統;傳統的文件系統如 ext2 等,用作 Flash 的文件系統會有諸多弊端。

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

      順便一提,一塊 Flash 芯片可以被劃分為多個分區,各分區可以采用不同的文件系統;兩塊 Flash 芯片也可以合并為一個分區使用,采用一個文件系統。即文件系統是針對于存儲器分區而言的,而非存儲芯片。

      (1) jffs2

      JFFS 文件系統最早是由瑞典 Axis Communications 公司基于 Linux2.0 的內核為嵌入式系統開發的文件系統。 JFFS2 是 RedHat 公司基于 JFFS 開發的閃存文件系統,最初是針對 RedHat 公司的嵌入式產品 eCos 開發的嵌入式文件系統,所以 JFFS2 也可以用在 Linux, uCLinux 中。

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

      主要用于 NOR 型閃存,基于 MTD 驅動層,特點是:可讀寫的、支持數據壓縮的、基于哈希表的日志型文件系統,并提供了崩潰 / 掉電 安全 保護,提供 “ 寫平衡 ” 支持等。缺點主要是當文件系統已滿或接近滿時,因為垃圾收集的關系而使 jffs2 的運行速度大大放慢。

      目前 jffs3 正在開發中。關于 jffs 系列文件系統的使用詳細文檔,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,這樣導致 jffs 為維護日志節點所占用的內存空間迅速增大,另外, jffsx 文件系統在掛載時需要掃描整個 FLASH 的內容,以找出所有的日志節點,建立文件結構,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 是專為嵌入式系統使用 NAND 型閃存而設計的一種日志型文件系統。與 jffs2 相比,它減少了一些功能 ( 例如不支持數據壓縮 ) ,所以速度更快,掛載時間很短,對內存的占用較小。另外,它還是跨平臺的文件系統,除了 Linux 和 eCos ,還支持 WinCE, pSOS 和 ThreadX 等。

      yaffs/yaffs2 自帶 NAND 芯片的驅動,并且為嵌入式系統提供了直接訪問文件系統的 API ,用戶可以不使用 Linux 中的 MTD 與 VFS ,直接對文件系統操作。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 的創始人 Linus Torvalds 參與開發的一種只讀的壓縮文件系統。它也基于 MTD 驅動程序。

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

      Cramfs 文件系統以壓縮方式存儲,在運行時解壓縮,所以不支持應用程序以 XIP 方式運行,所有的應用程序要求被拷到 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 文件系統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免受破壞,提高了系統的可靠性。

      由于以上特性, 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,但是也能放在別的文件系統里,使用 loopback 設備可以把它安裝別的文件系統里。

      (4) Romfs

      傳統型的 Romfs 文件系統是一種簡單的、緊湊的、只讀的文件系統,不支持動態擦寫保存,按順序存放數據,因而支持應用程序以 XIP(eXecute In Place ,片內運行 ) 方式運行,在系統運行時,節省 RAM 空間。 uC linux 系統通常采用 Romfs 文件系統。

      其他文件系統: fat/fat32 也可用于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 ) ,這主要是為了更好的與最流行的 Windows 桌面操作系統相兼容。 ext2 也可以作為嵌入式 Linux 的文件系統,不過將它用于 FLASH 閃存會有諸多弊端。

      2. 基于 RAM 的文件系統

      (1) Ramdisk

      Ramdisk 是將一部分固定大小的內存當作分區來使用。它并非一個實際的文件系統,而是一種將實際的文件系統裝入內存的機制,并且可以作為根文件系統。將一些經常被訪問而又不會更改的文件 ( 如只讀的根文件系統 ) 通過 Ramdisk 放在內存中,可以明顯地提高系統的性能。

      在 Linux 的啟動階段, initrd 提供了一套機制,可以將內核映像和根文件系統一起載入內存。

      (2)ramfs/tmpfs

      Ramfs 是 Linus Torvalds 開發的一種基于內存的文件系統,工作于虛擬文件系統 (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文件系統,它統一了文件在內核中的表示方式,并對磁盤文件系統進行緩沖。 )

      Ramfs/tmpfs 文件系統把所有的文件都放在 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 相對于傳統的 Ramdisk 的不同之處主要在于:不能格式化,文件系統大小可隨所含文件內容大小變化。

      Tmpfs 的一個缺點是當系統重新引導時會丟失所有數據。

      3. 網絡文件系統 NFS (Network File System)

      NFS 是由 Sun 開發并發展起來的一項在不同機器、不同操作系統之間通過網絡共享文件的技術。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于 NFS 的根文件系統,掛載到嵌入式設備,可以很方便地修改根文件系統的內容。

      以上討論的都是基于存儲設備的文件系統 (memory-based file system) ,它們都可用作 Linux 的根文件系統。實際上, Linux 還支持邏輯的或偽文件系統 (logical or pseudo file system) ,例如 procfs(proc 文件系統 ) ,用于獲取系統信息,以及 devfs( 設備文件系統 ) 和 sysfs ,用于維護設備文件。

      附錄: NOR 閃存與 NAND 閃存比較

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