在Flash基础入门学习中，之前可能听说过 Journaling Flash File System（JFFS）和 Yet Another Flash File System（YAFFS），但是您知道使用底层 flash 设备的文件系统意味着什么吗？本文将向您介绍 Linux 的 flash 文件系统，并探索它们如何通过平均读写(wear leveling)处理底层的可消耗设备（flash 部件），并鉴别各种不同的 flash 文件系统以及它们的基本设计。希望让大家在Flash基础入门路上走的更远。 

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    固态驱动器当前非常流行，但是嵌入式系统很久以前就开始使用固态驱动器进行存储。您可以看到 flash 系统被用于个人数字助理（PDA）、手机、MP3 播放器、数码相机、USB flash 驱动（UFD），甚至笔记本电脑。很多情况下，商业设备的文件系统可以进行定制并且是专有的，但是它们会遇到以下挑战。

    基于 Flash 的文件系统形式多种多样。本文将探讨几种只读文件系统，并回顾目前可用的各种读/写文件系统及其工作原理。但是，让我们先看看 flash 设备及其所面对的挑战。

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Flash 内存技术

Flash 内存（可以通过几种不同的技术实现）是一种非挥发性内存，这意味着断开电源之后其内容仍然保持下来。要了解 flash 内存的辉煌历史，请参阅 参考资料。

两种最常见的 flash 设备类型为：NOR 和 NAND。基于 NOR 的 flash 技术比较早，它支持较高的读性能，但以降低容量为代价。NAND flash 提供更大容量的同时实现快速的写擦性能。NAND 还需要更复杂的输入/输出（I/O）接口。

Flash 部件通常分为多个分区，允许同时进行多个操作（擦除某个分区的同时读取另一个分区）。分区再划分为块（通常大小为 64KB 或 128KB）。使用分区的固件可以进一步对块进行独特的分段 — 例如，一个块中有 512 字节的分段，但不包括元数据。

Flash 设备有一个常见的限制，即与其他存储设备（如 RAM 磁盘）相比，它需要进行设备管理。flash 内存设备中惟一允许的 Write 操作是将 1 修改为 0。如果需要撤销操作，那么必须擦除整个块（将所有数据重置回状态 1）。这意味着必须删除该块中的其他有效数据来实现持久化。NOR flash 内存通常一次可以编写一个字节，而 NAND flash 内存必须编写多个字节（通常为 512 字节）。

这两种内存类型在擦除块方面有所不同。每种类型都需要一个特殊的 Erase 操作，该操作可以涵盖 flash 内存中的一个整块。NOR 技术需要通过一个准备步骤将所有值清零，然后再开始 Erase 操作。Erase 是针对 flash 设备的特殊操作，非常耗费时间。擦除操作与电有关，它将整个块的所有单元中的电子放掉。

NOR flash 设备通常需要花费几秒时间来执行 Erase 操作，而 NAND 设备只需要几毫秒。flash 设备的一个关键特性是可执行的 Erase 操作的数量。在 NOR 设备中，flash 内存中的每个块可被擦除 10万次，而在 NAND flash 内存中可达到一百万次。

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Flash 内存面临的挑战

除了前面提到的一些限制以外，管理 flash 设备还面临很多挑战。三个最重大的挑战分别是垃圾收集、管理坏块和平均读写。

垃圾收集

垃圾收集 是一个回收无效块的过程（无效块中包含了一些无效数据）。回收过程包括将有效数据移动到新块，然后擦除无效块从而使它变为可用。如果文件系统的可用空间较少，那么通常将在后台执行这一过程（或者根据需要执行）。

管理坏块

用的时间长了，flash 设备就会出现坏块，甚至在出厂时就会因出现坏块而不能使用。如果 flash 操作（例如 Erase）失败，或者 Write 操作无效（通过无效的错误校正代码发现，Error Correction Code，ECC），那么说明出现了坏块。

识别出坏块后，将在 flash 内部将这些坏块标记到一个坏块表中。具体操作取决于设备，但是可以通过一组独立的预留块来（不同于普通数据块管理）实现。对坏块进行处理的过程 — 不管是出厂时就有还是在使用过程中出现 — 称为坏块管理。在某些情况下，可以通过一个内部微控制器在硬件中实现，因此对于上层文件系统是透明的。

平均读写

前面提到 flash 设备属于耗损品：在变成坏块以前，可以执行有限次数的反复的 Erase 操作（因此必须由坏块管理进行标记）。平均读写算法能够最大化 flash 的寿命。平均读写有两种形式：动态平均读写 和静态平均读写 。

动态平均读写解决了块的 Erase 周期的次数限制。动态平均读写算法并不是随机使用可用的块，而是平均使用块，因此，每个块都获得了相同的使用机会。静态平均读写算法解决了一个更有趣的问题。除了最大化 Erase 周期的次数外，某些 flash 设备在两个 Erase 周期之间还受到最大化 Read 周期的影响。这意味着如果数据在块中存储的时间太长并且被读了很多次，数据会逐渐消耗直至丢失。静态平均读写算法解决了这一问题，因为它可以定期将数据移动到新块。

系统架构

到目前为止，我已经讨论了 flash 设备及其面临的基本挑战。现在，让我们看看这些设备如何组合成为一个分层架构的一部分（参加图 1）。架构的顶层是虚拟文件系统（VFS），它为高级应用程序提供通用接口。VFS 下面是 flash 文件系统（将在下节介绍）。接下来是 Flash 转换层（Flash Translation Layer，FTL），它整体管理 flash 设备，包括从底层 flash 设备分配块、地址转换、动态平均读写和垃圾收集。在某些 flash 设备中，可以在硬件中实现一部分 FTL 。

 图 1. flash 系统的基本架构

    Linux 内核使用内存技术设备（Memory Technology Device，MTD）接口，这是针对 flash 系统的通用接口。MTD 可以自动检测 flash 设备总线的宽度以及实现总线宽度所需设备的数量。

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    MTD(memory technology device内存技术设备)是用于访问memory设备（ROM、flash）的Linux的子系统。MTD的主要目的是为了使新的memory设备的驱动更加简单，为此它在硬件和上层之间提供了一个抽象的接口。MTD的所有源代码在/drivers/mtd子目录下。CFI接口的MTD设备分为四层（从设备节点直到底层硬件驱动），这四层从上到下依次是：设备节点、MTD设备层、MTD原始设备层和硬件驱动层。

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 Linux文件系统

Linux支持多种文件系统，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等，为了对各类文件系统进行统一管理，Linux引入了虚拟文件系统VFS(Virtual File System)，为各类文件系统提供一个统一的操作界面和应用编程接口。

    Linux下的文件系统结构如下：

    Linux启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。

    不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据存储设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在嵌入式Linux应用中，主要的存储设备为RAM（DRAM, SDRAM）和ROM（常采用FLASH存储器），常用的基于存储设备的文件系统类型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

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基于FLASH的文件系统Flash 文件系统

    Flash(闪存)作为嵌入式系统的主要存储媒介，有其自身的特性。Flash的写入操作只能把对应位置的1修改为0，而不能把0修改为1(擦除Flash就是把对应存储块的内容恢复为1)，因此，一般情况下，向Flash写入内容时，需要先擦除对应的存储区间，这种擦除是以块(block)为单位进行的。

    闪存主要有NOR和NAND两种技术(简单比较见附录)。Flash存储器的擦写次数是有限的，NAND闪存还有特殊的硬件接口和读写时序。因此，必须针对Flash的硬件特性设计符合应用要求的文件系统；传统的文件系统如ext2等，用作Flash的文件系统会有诸多弊端。

    在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存储技术设备)为底层硬件(闪存)和上层(文件系统)之间提供一个统一的抽象接口，即Flash的文件系统都是基于MTD驱动层的(参见上面的Linux下的文件系统结构图)。使用MTD驱动程序的主要优点在于，它是专门针对各种非易失性存储器(以闪存为主)而设计的，因而它对Flash有更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读/写操作接口。

    顺便一提，一块Flash芯片可以被划分为多个分区，各分区可以采用不同的文件系统；两块Flash芯片也可以合并为一个分区使用，采用一个文件系统。即文件系统是针对于存储器分区而言的，而非存储芯片。

    1、JFFS文件系统----- 日志闪存文件系统(Journaling Flash File System )

Journaling Flash File System 是针对 Linux 的最早 flash 文件系统之一。 JFFS 是一种专门为 NOR flash 设备设计的日志结构文件系统。它非常独特，能够解决许多 flash 设备问题，但同时也导致一些新问题。

JFFS 将 flash 设备视为一种循环的块日志。写入 flash 的数据被写到了空间的末尾，开始部分的块则被收回，而两者之间的空间是空闲的；当空间变少时，将执行垃圾收集。垃圾收集器将有效块移动到日志的尾部，跳过无效或废弃块，并擦除它们（参见图 2）。因此这种文件系统可以自动实现静态和动态平均读写。这种架构的主要缺点是过于频繁地执行擦除操作（而没有使用最佳擦除策略），从而使设备迅速磨损。

 挂载 JFFS 时结构细节将读取到内存中，这将延缓挂载时间并消耗更多的内存。

  2、 JFFS2 文件系统-----日志闪存文件系统版本2   (Journalling Flash FileSystem v2)

    JFFS文件系统最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的内核为嵌入式系统开发的文件系统。JFFS2是RedHat公司基于JFFS开发的闪存文件系统，最初是针对RedHat公司的嵌入式产品eCos开发的嵌入式文件系统，所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

    Jffs2： 主要用于NOR型闪存，基于MTD驱动层，

                 特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃/掉电安全保护，提供“写平衡”支持等。

                 缺点是：主要是当文件系统已满或接近满时，因为垃圾收集的关系而使jffs2的运行速度大大放慢。

    目前jffs3正在开发中。关于jffs系列文件系统的使用详细文档，可参考MTD补丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。

    jffsx不适合用于NAND闪存主要是因为NAND闪存的容量一般较大，这样导致jffs为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大，另外，jffsx文件系统在挂载时需要扫描整个FLASH的内容，以找出所有的日志节点，建立文件结构，对于大容量的NAND闪存会耗费大量时间。

    尽管 JFFS 在早期非常有用，但是它的平均读写算法容易缩短 NOR flash 设备的寿命。因此重新设计了底层算法，去掉了循环日志。JFFS2 算法专门为 NAND flash 设备设计，并且改善压缩性能。

    在 JFFS2 中，flash 中的每个块都是单独处理的。JFFS2 通过维护块列表来充分地对设备执行平均读写。clean 列表表示设备中的块全部为有效节点。dirty 列表中的块至少包含有一个废弃节点。最后，free 列表包含曾经执行过擦除操作并且可以使用的块。

    垃圾收集算法通过合理的方法智能地判断应该回收的块。目前，这个算法根据概率从 clean 或 dirty 列表中选择。dirty 列表的选择概率为 99%（将有效内容移到另一个块），而 clean 列表的选择概率为 1%（将内容移到新的块）。在这两种情况中，对选择的块执行擦除操作，然后将其置于 free 列表（参见图 3）。这允许垃圾收集器重用废弃的块，但是仍然围绕 flash 移动数据，以支持静态平均读写。

 图 3. JFFS2 中的块管理和垃圾收集

3、yaffs- ---- Yet Another Flash File System

YAFFS 是针对 NAND flash 开发的另一种 flash 文件系统。最早的版本（YAFFS）支持 512 字节页面的 flash 设备，但是较新的版本（YAFFS2）支持页面更大的新设备以及更大的 Write 限制。 与jffs2相比，它减少了一些功能(例如不支持数据压缩)，所以速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。另外，它还是跨平台的文件系统，除了Linux和eCos，还支持WinCE, pSOS和ThreadX等。

大多数 flash 文件系统会对废yaffs/yaffs2自带NAND芯片的驱动，并且为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的API，用户可以不使用Linux中的MTD与VFS，直接对文件系统操作。当然，yaffs也可与MTD驱动程序配合使用。

    yaffs与yaffs2的主要区别在于，前者仅支持小页(512 Bytes) NAND闪存，后者则可支持大页(2KB) NAND闪存。同时，yaffs2在内存空间占用、垃圾回收速度、读/写速度等方面均有大幅提升。

大多数 flash 文件系统会对废弃块进行标记，但是 YAFFS2 使用单调递增数字序列号额外地标记块。在挂载期间扫描文件系统时，可以快速标识有效的 inode。YAFFS 保留在 RAM 中的树以表示 flash 设备的块结构，包括通过检查点（checkpointing）实现快速挂载 — 这个过程将在正常卸载时将 RAM 树结构保存到 flash 设备，以在挂载时快速读取和恢复到 RAM（参见图 4）。与其他 flash 文件系统相比，YAFFS2 的挂载时性能是它的最大优势。

 图 4. YAFFS2 中的块管理和垃圾收集 

4、 只读式压缩文件系统（Compressed ROM File System)

    （1）、Cramfs （Compressed ROM File System ）

    Cramfs是Linux的创始人 Linus Torvalds参与开发的一种只读的压缩文件系统。它也基于MTD驱动程序。

    在cramfs文件系统中，每一页(4KB)被单独压缩，可以随机页访问，其压缩比高达2:1,为嵌入式系统节省大量的Flash存储空间，使系统可通过更低容量的FLASH存储相同的文件，从而降低系统成本。

     Cramfs文件系统以压缩方式存储，在运行时解压缩，所以不支持应用程序以XIP方式运行，所有的应用程序要求被拷到RAM里去运行，但这并不代表比Ramfs需求的RAM空间要大一点，因为Cramfs是采用分页压缩的方式存放档案，在读取档案时，不会一下子就耗用过多的内存空间，只针对目前实际读取的部分分配内存，尚没有读取的部分不分配内存空间，当我们读取的档案不在内存时，Cramfs文件系统自动计算压缩后的资料所存的位置，再即时解压缩到RAM中。    

 A、cramfs 的主要特点是：简单和较高的空间利用率。这种文件系统用于内存占用较小的嵌入式设计。 

 B、另外，它的速度快，效率高，其只读的特点有利于保护文件系统免受破坏，提高了系统的可靠性。

 C、虽然 cramfs 元数据没有经过压缩，但是 cramfs 针对每个页面使用 zlib 压缩，从而允许随机的页面访问（访问时对页面进行解压缩）。

    由于以上特性，Cramfs在嵌入式系统中应用广泛。

    但是它的只读属性同时又是它的一大缺陷，使得用户无法对其内容对进扩充。

    Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在别的文件系统里，使用loopback 设备可以把它安装别的文件系统里。您可以通过 mkcramfs实用工具和 loopback 设备尝试使用 cramfs。

 （2）、SquashFS

SquashFS 是另一种可用于 flash 设备的压缩式 Linux 只读文件系统。您可以在很多 Live CD Linux 发行版中找到 SquashFS。除了支持 zlib 压缩外，SquashFS 还使用 Lembel-Ziv-Markov chain Algorithm (LZMA) 改善压缩并提高速度。

和 cramfs 一样，您可以通过 mksquashfs和 loopback 设备在标准 Linux 系统上使用 SquashFS。

5、 Romfs

    传统型的Romfs文件系统是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统，不支持动态擦写保存，按顺序存放数据，因而支持应用程序以XIP(eXecute In Place，片内运行)方式运行，在系统运行时，节省RAM空间。uClinux系统通常采用Romfs文件系统。

    其他文件系统：fat/fat32也可用于实际嵌入式系统的扩展存储器(例如PDA, Smartphone, 数码相机等的SD卡)，这主要是为了更好的与最流行的Windows桌面操作系统相兼容。ext2也可以作为嵌入式Linux的文件系统，不过将它用于FLASH闪存会有诸多弊端。

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 基于RAM的文件系统

(1) Ramdisk

    Ramdisk是将一部分固定大小的内存当作分区来使用。它并非一个实际的文件系统，而是一种将实际的文件系统装入内存的机制，并且可以作为根文件系统。将一些经常被访问而又不会更改的文件(如只读的根文件系统)通过Ramdisk放在内存中，可以明显地提高系统的性能。

    在Linux的启动阶段，initrd提供了一套机制，可以将内核映像和根文件系统一起载入内存。

    (2)ramfs/tmpfs

    Ramfs是Linus Torvalds开发的一种基于内存的文件系统，工作于虚拟文件系统(VFS)层，不能格式化，可以创建多个，在创建时可以指定其最大能使用的内存大小。(实际上，VFS本质上可看成一种内存文件系统，它统一了文件在内核中的表示方式，并对磁盘文件系统进行缓冲。)

    Ramfs/tmpfs文件系统把所有的文件都放在RAM中，所以读/写操作发生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs来存储一些临时性或经常要修改的数据，例如/tmp和/var目录，这样既避免了对Flash存储器的读写损耗，也提高了数据读写速度。

    Ramfs/tmpfs相对于传统的Ramdisk的不同之处主要在于：不能格式化，文件系统大小可随所含文件内容大小变化。

    Tmpfs的一个缺点是当系统重新引导时会丢失所有数据。

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网络文件系统NFS (Network File System)

    NFS是由Sun开发并发展起来的一项在不同机器、不同操作系统之间通过网络共享文件的技术。在嵌入式Linux系统的开发调试阶段，可以利用该技术在主机上建立基于NFS的根文件系统，挂载到嵌入式设备，可以很方便地修改根文件系统的内容。

    以上讨论的都是基于存储设备的文件系统(memory-based file system)，它们都可用作Linux的根文件系统。实际上，Linux还支持逻辑的或伪文件系统(logical or pseudo file system)，例如procfs(proc文件系统)，用于获取系统信息，以及devfs(设备文件系统)和sysfs，用于维护设备文件。

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