嵌入式系統檔案系統概述及對比分析（包含jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs）

部落客：這篇博文非常精煉地介紹了多種嵌入式系統檔案系統的特點和用途，适合初學者全面掃盲。友情轉載，在此感謝原文作者的貢獻。

    Linux支援多種檔案系統，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等，為了對各類檔案系統 進行統一管理，Linux引入了虛拟檔案系統VFS(Virtual File System)，為各類檔案系統提供一個統一的操作界面和應用程式設計接口。　　

    ​Linux啟動時，首先必須挂載的是根檔案系統；若系統不能從指定裝置上挂載根檔案系統，則系統會出錯而退出啟動。之後可以自動或手動挂載其他的檔案系統。是以，一個系統中可以同時存在不同的檔案系統。不同的檔案系統類型有不同的特點，因而根據儲存設備的硬體特性、系統需求等有不同的應用場合。在嵌入式Linux應用中，主要的儲存設備為 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存儲器)，常用的基于儲存設備的檔案系統類型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

1. 基于FLASH的檔案系統　　

    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的寫入操作隻能把對應位置的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内容恢複為1)，是以，一般情況下，向Flash寫入内容時，需要先擦除對應的存儲區間，這種擦除是以塊(block)為 機關進行的。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閃存還有特殊的硬體接口和讀寫時序。因 此，必須針對Flash的硬體特性設計符合應用要求的檔案系統；傳統的檔案系統如ext2等，用作Flash的檔案系統會有諸多弊端。在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存儲技術裝置)為底層硬體(閃存)和上層(檔案系統)之間提供一個統一的抽象接口，即Flash的檔案系統都是基于MTD驅動層的(參見上 面的Linux下的檔案系統結構圖)。使用MTD驅動程式的主要優點在于，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 更好的支援、管理和基于扇區的擦除、讀/寫操作接口。順便一提，一塊Flash晶片可以被劃分為多個分區，各分區可以采用不同的檔案系統；兩塊Flash晶片也可以合并為一個分區使用，采用一個檔案系統。即檔案系統是針對于存儲器分區而言的，而非存儲晶片。

(1) jffs2：Journalling Flash FileSystem v2

    JFFS檔案系統最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的核心為嵌入式系統開發的檔案系統。JFFS2是RedHat公司基于JFFS開發的閃存檔案系 統，最初是針對RedHat公司的嵌入式産品eCos開發的嵌入式檔案系統，是以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

    Jffs2: 日志閃存檔案系統版本2 ，主要用于NOR型閃存，基于MTD驅動層，特點是：可讀寫的、支援資料壓縮的、基于哈希表的日志型檔案系統，并提供了崩潰/掉電安全保護，提供“寫平衡”支援等。缺點主要是當檔案系統已滿或接近滿時，因為垃圾收集的關系而使jffs2的運作速度大大放慢。目前jffs3正在開發中。關于jffs系列檔案系統的使用詳細文檔，可參考MTD更新檔包中mtd-jffs-HOWTO.txt。jffsx不适合用于NAND閃存主要是因為NAND閃存的容量一般較大，這樣導緻jffs為維護日志節點所占用的記憶體空間迅速增大，另外，jffsx檔案系統在挂載時需要掃描整個FLASH的内容，以找出所有的日志節點，建立檔案結構，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檔案系統。與jffs2相比，它減少了一些功能(例如不支援資料壓縮)，是以速度更快，挂載時間很短，對記憶體的占用較小。另外，它還是跨平台的檔案系統，除了Linux和eCos，還支援WinCE, pSOS和ThreadX等。yaffs/yaffs2自帶NAND晶片的驅動，并且為嵌入式系統提供了直接通路檔案系統的API，使用者可以不使用Linux中的MTD與VFS，直接對檔案系統操作。當然，yaffs也可與MTD驅動程式配合使用。yaffs與yaffs2的主要差別在于，前者僅支援小頁(512 Bytes) NAND閃存，後者則可支援大頁(2KB) NAND閃存。同時，yaffs2在記憶體空間占用、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參與開發的一種隻讀的壓縮檔案系統。它也基于MTD驅動程式。在cramfs檔案系統中，每一頁(4KB)被單獨壓縮，可以随機頁通路，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存儲相同的檔案，進而降低系統成本。Cramfs檔案系統以壓縮方式存儲，在運作時解壓縮，是以不支援應用程式以XIP方式運作，所有的應用程式要求被拷到RAM裡去運作，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記憶體空間，隻針對目 前實際讀取的部分配置設定記憶體，尚沒有讀取的部分不配置設定記憶體空間，當我們讀取的檔案不在記憶體時，Cramfs檔案系統自動計算壓縮後的資料所存的位置，再即時 解壓縮到RAM中。另外，它的速度快，效率高，其隻讀的特點有利于保護檔案系統免受破壞，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。但是它的隻讀屬性同時又是它的一大缺陷，使得使用者無法對其内容對進擴充。

Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在别的檔案系統裡，使用loopback 裝置可以把它安裝别的檔案系統裡。

(4) Romfs

    傳統型的Romfs檔案系統是一種簡單的、緊湊的、隻讀的檔案系統，不支援動态擦寫儲存，按順序存放資料，因而支援應用程式以 XIP(eXecute In Place，片内運作)方式運作，在系統運作時，節省RAM空間。uClinux系統通常采用Romfs檔案系統。

    其他檔案系統：fat/fat32也可用于實際嵌入式系統的擴充存儲器(例如PDA, Smartphone, 數位相機等的SD卡)，這主要是為了更好的與最流行的Windows桌面作業系統相相容。ext2也可以作為嵌入式Linux的檔案系統，不過将它用于 FLASH閃存會有諸多弊端。（什麼弊端？是否會導緻存儲單元讀寫不均勻，進而減少Flash的使用壽命？）

2. 基于RAM的檔案系統

(1) Ramdisk

    Ramdisk是将一部分固定大小的記憶體當作分區來使用。它并非一個實際的檔案系統，而是一種将實際的檔案系統裝入記憶體的機制，并且可以作為根 檔案系統。将一些經常被通路而又不會更改的檔案(如隻讀的根檔案系統)通過Ramdisk放在記憶體中，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，可以将核心映像和根檔案系統一起載入記憶體。

(2)ramfs/tmpfs

    Ramfs是Linus Torvalds開發的一種基于記憶體的檔案系統，工作于虛拟檔案系統(VFS)層，不能格式化，可以建立多個，在建立時可以指定其最大能使用的記憶體大小。(實際上，VFS本質上可看成一種記憶體檔案系統，它統一了檔案在核心中的表示方式，并對磁盤檔案系統進行緩沖。)Ramfs/tmpfs檔案系統把所有的檔案都放在RAM中，是以讀/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資料，例如/tmp和/var目錄，這樣既避免了對Flash存儲器的讀寫損耗，也提高了資料讀寫速度。Ramfs/tmpfs相對于傳統的Ramdisk的不同之處主要在于：不能格式化，檔案系統大小可随所含檔案内容大小變化。Tmpfs的一個缺點是當系統重新開機時會丢失所有資料。

3. 網絡檔案系統NFS (Network File System)

    NFS是由Sun開發并發展起來的一項在不同機器、不同作業系統之間通過網絡共享檔案的技術。NFS的主要作用：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的根檔案系統，挂載到嵌入式裝置，可以很友善地修改根檔案系統的内容。

    以上讨論的都是基于儲存設備的檔案系統(memory-based file system)，它們都可用作Linux的根檔案系統。實際上，Linux還支援邏輯的或僞檔案系統(logical or pseudo file system)，例如procfs(proc檔案系統)，用于擷取系統資訊，以及devfs(裝置檔案系統)和sysfs，用于維護裝置檔案。