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關于檔案系統

 理論上說一個嵌入式裝置如果核心能夠運作起來,且不需要運作使用者程序的話,是不需要檔案系統的,檔案系統簡單的說就是一種目錄結構,由于 linux作業系統的裝置在系統中是以檔案的形式存在,将這些檔案進行分類管理以及提供和核心互動的接口,就形成一定的目錄結構也就是檔案系統,檔案系統 是為使用者反映系統的一種形式,為使用者提供一個檢測控制系統的接口。

  根檔案系統,我認為根檔案系統就是一種特殊的檔案系統,那麼根檔案系統和普通的檔案系統有什麼差別呢?由于根檔案系統是核心啟動時挂在的第一個 檔案系統,那麼根檔案系統就要包括Linux啟動時所必須的目錄和關鍵性的檔案,例如Linux啟動時都需要有init目錄下的相關檔案,在 Linux挂載分區時Linux一定會找/etc/fstab這個挂載檔案等,根檔案系統中還包括了許多的應用程式bin目錄等,任何包括這些Linux 系統啟動所必須的檔案都可以成為根檔案系統。

  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。

關于檔案系統

  Linux啟動時,第一個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)為單 位進行的。

  閃存主要有NOR和NAND兩種技術。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。是以,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。

  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。

  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。

  (1) jffs2

  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 (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。

  jffs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,jffs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(例如不支援數 據壓縮),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。

  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。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。

  我們要移植的開發闆的儲存設備為Nandflash,我們可以用應用比較廣泛的cramfs檔案系統。

  二.移植準備

  1.目标闆

  我們還是使用之前移植過程一直使用的開發闆參數。

  2.軟體準備

  (1)Busybox

  Busybox被形象的稱為嵌入式linux系統中的瑞士軍刀,可以從這個稱呼中看到busybox是一個集多種功能于一身的東西,它将許多常 用的UNIX指令和工具結合到了一個單獨的可執行程式中。雖然與相應的GNU工具比較起來,busybox所提供的功能和參數略少,但在比較小的系統(例 如啟動盤)或者嵌入式系統中,已經足夠了。

  Busybox在設計上就充分考慮了硬體資源受限的特殊工作環境。它采用一種很巧妙的辦法減少自己的體積:所有的指令都通過“插件”的方式集中 到一個可執行檔案中,在實際應用過程中通過不同的符号連結來确定到底要執行哪個操作。例如最終生成的可執行檔案為busybox,當為它建立一個符号連結 ls的時候,就可以通過執行這個新指令實作列目錄的功能。采用單一執行檔案的方式最大限度地共享了程式代碼,甚至連檔案頭、記憶體中的程式控制塊等其他操作 系統資源都共享了,對于資源比較緊張的系統來說,真是最合适不過了。

  在busybox的編譯過程中,可以非常友善地加減它的“插件”,最後的符号連結也可以由編譯系統自動生成。

  編譯busybox

  Busybox的編譯過程與核心的編譯過程很接近都是先make menuconfig進行配置,然後在make進行編譯。

  【1】從http://www.busybox.net/downloads/下載下傳busybox工具。這裡我們選擇busybox-1.13.4.tar.bz2

  【2】解壓busybox-1.13.4.tar.bz2使用指令

  tar jxvf busybox-1.13.4.tar.bz2

  【3】進入busybox目錄,修改Makefile  在164行 CROSS_COMPILE=arm-linux-

關于檔案系統

  【4】Make menuconfig進行配置,可以選擇靜态編譯,如果是動态編譯的話要拷貝相應的庫檔案,預設配置儲存即可。

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  【5】make all install

  這是會在busybox目錄下生成_install檔案夾。

  (2)檔案系統打包工具

  【1】從http://prdownloads.sourceforge.net/cramfs/下載下傳cramfs工具。

  【2】解壓cramfs-1.1.tar.gz使用指令:tar zxvf cramfs-1.1.tar.gz

  【3】進入cramfs工具的根目錄執行make。

  【4】Make後在cramfs工具的根目錄中就會生成一個mkcramfs檔案,這個就是我們需要的工具。

  三.制作過程

  1.建立根檔案系統目錄

  就是之前busybox生成的_install目錄 cd …/_install

  2.建立各種必要的系統檔案目錄。

  mkdir dev lib tmp proc

  3.建立裝置檔案。

  cd dev

  mknod fb0 c 29 0     建立framebuffer裝置檔案

  mknod ts0 c 13 128     建立觸摸屏裝置檔案

  mknod console c 5 1

  mknod tty0 c 4 0

  mknod tty1 c 4 1

  mknod tty2 c 4 2

  mknod tty3 c 4 3

  mknod tty4 c 4 4

  4.添加必要的庫檔案,由于之前沒有選擇靜态編譯busybox,這裡要拷貝相應的庫檔案

  cd lib

  cp –arf …/arm-linux/lib/* .

  5.根據自己需要添加應用程式

  這裡我們編寫一個簡單的應用程式列印一句問候語,程式代碼如下:

  #include <stdio.h>

  void main()

  {

  printf(“Hello World\n”);

  }

  注意編譯時要使用arm-linux-gcc,由于之前我們把編譯器的庫檔案全部進行拷貝,可以直接動态編譯。生成的可執行檔案hello放入tmp檔案夾。使用的指令:

  rm-linux-gcc hello.c –o hello

  cp –arf …/_install/tmp/

  6.打包

  mkcramfs _install rootfs

  四.燒寫過程

  我們采用的燒寫方法和燒寫核心的方法一樣核心的燒,我們采用tftp方式,用網線将目标闆和pc機連接配接起來,配置好目标闆的網絡參數,主要是serverip、ipaddr。

  首先将rootfs下載下傳到記憶體中:#tftp 30008000 rootfs

  按照之前核心的nandflash分區進行燒寫,将記憶體中的檔案系統燒寫到flash中:

  #nand erase 500000 3b00000

  #nand write 30008000 500000 3b00000

  重新開機uboot使其加載檔案系統。

  可以看到核心啟動,不在出現panic,這時會提示回車,回車後進入指令行,我們可以使用一些linux的常用指令,如:ls、cd、vi等。

  如下圖所示:

關于檔案系統

  注意:我們這裡使用的是PUTTY序列槽顯示軟體,如果用之前的DNW檢視序列槽資訊,會出現下面的錯誤:

關于檔案系統

  可以看到第一個目錄 [1;34mbin [0m

  會發現出現的資訊除了bin目錄外還有其他的内容,這并不是檔案系統的問題隻是DNW這款軟體并不支援這些表示色彩的附加資訊,換成PUTTY可以正常顯示了。

  我們可以運作一下我們自己的應用程式hello:./hello

  可以看到列印資訊Hello World如下圖所示:

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