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隨著嵌入式技術在各種電子產品中的廣泛應用，嵌入式系統中的數據存儲和管理已經成為一個重要的研究課題。Flash存儲器具有速度快、容量大、成本低等很多優點，因此在嵌入式系統中被廣泛用做外存儲器件。Flash主要有NOR和NAND兩種類型。目前，針對NOR Flash設計的文件系統JFFS/JFFS2在嵌入式系統中已得到廣泛的應用；隨著NAND作為大容量存儲介質的普及，基于NAND閃存的文件系統YAFFS(Yet Another Flash File System)正逐漸被應用到嵌入式系統中。 NAND閃存介紹 NOR 和NAND是現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則是高密度數據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，依次分為2個256字節的主數據區，最后是16字節的備用空間；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；各塊的擦除次數有限，一般為10萬"100萬次；使用復雜的I/O口串行存取數據。 YAFFS文件系統簡介 YAFFS類似于JFFS/JFFS2，是專門為NAND閃存設計的嵌入式文件系統，適用于大容量的存儲設備。它是日志結構的文件系統，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一致性和完整性的影響。YAFFS文件系統是按層次結構設計的，分為文件系統管理層接口、YAFFS內部實現層和NAND接口層，這樣就簡化了其與系統的接口設計，可以方便地集成到系統中去。與JFFS相比，它減少了一些功能，因此速度更快，占用內存更少。 YAFFS充分考慮了NAND閃存的特點，根據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據段。利用NAND閃存提供的每個頁面16字節的備用空間來存放ECC(Error Correction Code)和文件系統的組織信息，不僅能夠實現錯誤檢測和壞塊處理，也能夠提高文件系統的加載速度。YAFFS采用一種多策略混合的垃圾回收算法，結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開銷的目的。 YAFFS文件組織結構 YAFFS將文件組織成固定大小(512字節)的數據段。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。為了提高文件數據塊的查找速度，文件的數據段被組織成樹形結構。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。YAFFS使用存放在頁面備用空間中的ECC進行錯誤檢測，出現錯誤后會進行一定次數的重試，多次重試失敗后，該頁面就被停止使用。 YAFFS物理數據組織 YAFFS充分利用了NAND閃存提供的每個頁面16字節的備用空間，參考了SmartMedia的設定，備用空間中6個字節被用作頁面數據的ECC，2個字節分別用作塊狀態字和數據狀態字，其余的8字節(64位)用來存放文件系統的組織信息，即元數據。由于文件系統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的結構，而不需要像JFFS 那樣掃描整個介質，從而大大加快了文件系統的加載速度。 YAFFS擦除塊和頁面分配 YAFFS中用數據結構來描述每個擦除塊的狀態。該數據結構記錄了塊狀態，并用一個32位的位圖表示塊內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。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，則順序尋找下一個空閑塊。 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開銷之間的平衡。考慮到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實現開發環境簡介 本文采用的是宿主機＋目標板的開發模式。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的源碼可以從網站下載。 YAFFS移植： 1)在內核中建立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。此分區要結合vivi里的分區進行設置，如下： 6)配置內核時選中MTD支持和YAFFS支持。 7)編譯內核并將內核下載到開發板的Flash中。 YAFFS文件系統測試： 1)內核啟動之后，啟動信息中應該含有如下內容： 2)如果在內核里面添加了proc文件系統的支持，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后可以發現拷貝的文件仍然存在。這時刪除該文件，然后umount，再次mount后可以發現拷貝的文件已經被刪除，由此可見該分區可以正常讀寫。 5)在Flash上建立根文件系統： 重新啟動，并改變啟動參數：param set linux_cmd_line "noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console="ttySAC0""再次重新啟動后，開發板就可以從Flash啟動根文件系統了。 結語 YAFFS是專門為NAND閃存設計的,它的出現使得價格低廉的NAND閃存芯片具有了高效性和健壯性。YAFFS文件系統性能優越且易于移植，已經成功應用于Linux、?Clinux和Windows CE等嵌入式操作系統上。現在，每頁大小為2Kb的新型超大容量NAND閃存已經出現，針對這種Flash的文件系統YAFFS2正處于研究和應用當中。可以預見，基于NAND閃存的文件系統YAFFS/ YAFFS2將會應用于更多的嵌入式系統。 |
