由 于嵌入式系统自身存在一些特殊要求�使得一些传 统的文件系统 (如FAT、EXT2等) 并不十分适合。专 用的嵌入式文件系统应有一些自身的特性�如文件系统 面对的储存介质特殊性、文件系统应具有的跨平台的安 全性�以及整个系统的实时性等。本 文介绍了3种源 码开放的嵌入式文件系统Cramfs、JFFS2、YAFFS2� 详细分析比较了这3种文件系统的主要性能�并根据分 析结果指出了各自的适 用领域 Cramfs、JFFS2、YAFFS2是3种性能优越�专用于嵌入式系 统的文件系统。本文通过对这3种文件系统的设计原理和主要性 能进行分析与比较�归 纳出各自的选型依据据和适用领域。 三种文件系统的介绍 Cramfs Cramfs是Linux的创始人Linus Torvalds开发的一种只读 文件系统�采用了zlib压缩�压缩比一般可以达到1�2�但仍 可以做到高效的随机读取。在Linux系统中�通常把不需 要经 常修改的目录压缩存放�在系统引导时再将压缩文件解开。 Cramfs并不需要一次性地把文件系统的所有内容都解压到内存 中�而只是在系统需要访问某 个位置的数据时�马上计算出该数据在Cramfs中的位置�将其解压缩到内存之中�然后通过对 内存的访问来获取需要读取的数据。 JFFS2 JFFS意为「Journaling Flash File System」�该文件系统 是瑞典Axis通信公司开发的一种基于Flash内存的日志文件系 统。该公司于1999年在GNU/Linux上发行了第一 版JFFS文 件系统�后来经过Redhat公司的发展�现在已经发行了第二个 版本的JFFS2�其全部程序代码都是可供研究开发的。它在设 计时充分考虑了嵌 入式系统中Flash内存的读写特性�确保在 系统掉电时�正在读写的文件不受影响�同时�其储存策略以及 抗疲劳性等方面也在第一版的基础上进行了改进。 目前�JFFS2 广泛应用于嵌入式系统中�尤其是嵌入式μClinux操作系统中。 YAFFS2 YAFFS意为「Yet Another Flash File System」�是目前 唯一一个专门为NAND Flash设计的文件系统。它采用了类日志 结构�结合NAND Flash的特点�提供了损耗平衡和掉电保护机 制�可以有效地避免意外掉电对文件系统一致性和完整性的影 响。Aleph One公司于2002年5月发布了第一版YAFFS程序 代码�用户可以很方便地在网站上下载到。第一版的YAFFS只 支持每页512字节的NAND Flash。 YAFFS2是YAFFS的升级版�即支持每页512字节的NAND Flash内存�也支持每页 2048字节的NAND Flash内存。 Flash内存 Flash设备特点 相对于传统储存介质�Flash内存具有如下优点� ˙ 可靠性高�采用Flash为储存介质�可以确保100万次以上的 可靠写入� ˙ 储存速度快�写入∕读取均可接近1Mb/s� ˙ 使用方便�具有很强的环境适应能力。 但是�由于其制造制程的问题�还存在以下缺点� ˙ 读取和写入以页为单位�擦除以块为单位� ˙ 易出现随机坏块� ˙ 块与块之间使用不均衡会导致寿命问题。 NOR Flash和NAND Flash 基于NOR技术的Flash内存是最早出现的Flash内存�它 具有以下特点� ˙ 程序和数据可存放在同一芯片上�拥有独立的数据总线和地址 总线�支持快速随机读取�允许系统直接从Flash中读取程序代码并执行�而无需先将程序代码下载至RAM中再执行� ˙ 可以单字节或单字程序化�但必须以块为单位进行擦除操作。 由于NOR Flash内存的擦除和程序化速度较慢�而块尺寸 又比较大�因此擦除和程序化操作所花费的时间很长。目前� NOR Flash内存大多只用于储存嵌入式系统的启动程序代码。 NAND Flash内存可以顺序读取储存单元的内容�由于制 程上的进步�其容量越来越大�单位价格越来越便宜�正逐步成 为Flash内存的主流。NAND Flash内存具有以下特点� ˙ 以页为单位进行读写操作�以块为单位进行擦除操作�页大小 为512字节或2048字节�每页不仅有 数据区�还有几十字节的空闲区。 ˙ 数据、地址采用同一总线接口�串行读取。 ˙ 芯片尺寸小�接脚少�单位成本低。 ˙ 芯片内含有失效块�并且在使用过程中可能会出现随机坏块。 表1 比较了这两种Flash内存的性能参数。 三种嵌入式文件系统主要性能分析与比较 数据安全、运行速度、占用资源、使用范围等是嵌入式文 件系统的主要性能指针。下面从这几个方面入手�对这三种嵌入 式文件系统进行分析与比较。 数据安全 当前的嵌入式系统主要使用固态Flash芯片作为储存设备。 由于Flash设备自身的特点以及嵌入式系统工作环境的复杂多 样性�如何保证数据的安全是嵌入 式文件系统首先要考虑的问 题。数据安全主要包括数据冗余和掉电保护等部分。 资料冗余 提高数据安全性的最有效措施是增加数据的冗余�而数据的大量冗余又给维护资料一致性 带来困难。对此应进行合理取舍�在尽量降低冗余的前提下�确保数据的安全性和可靠性。 Cramfs文件系统是一种只读文件系统�文件系统内容不可 更改�设计思想遵循「只储存最少的信息」�甚至没有时间戳之类的信息�除了数据包的CRC校验 信息外�几乎没有别的数据 冗余。 JFFS2文件系统是典型的日志结构的文件系统�它储存的 数据是日志式数据信息。JFFS2在Flash上只有两种类型的数据 实 体�j.ffs2_raw_inode和jffs2_raw dirent。前者包含文件的管 理信息�后者用于描述文件在文件系统中的位置。真正的数据信 息就保持在jffs2_raw_inode节点的后面�大部分 管理的信息都 是在系统挂载之后建立起来的。两种数据实体有着公共的文件头 结构jffs2 _ unknown_node。在这个结构里�有个jint32 _t类型 的hdr_crc变量�它代表文件头部中其它域的CRC校验值。这 说明JFFS2文件系统使用的是CRC循环冗余校验码。 YAFFS2文件系统是一种类日志文件系统�专用于NAND 型Flash设备。其储存数据的基本单位是chunk�相当于Flash 的页。Chunk中的 数据包括两部分�一部分是数据区�占用Flash 的一页�另一部分是文件信息及冗余数据区�占用Flash页的 OOB区。其冗余数据主要是ECC校验资 料�对于小页�每页 512字节�的Flash�每页有6字节的ECC数据�对于大页�每 页2048字节�的Flash�每页有24字节的ECC资 料。 掉电保护 掉电保护的目的是�在系统意外失去供电的情况下�保证 系统运行状态的确定性以及记录数据的完整性�当系统供电恢复 后�现场数据可以及时恢复�避免系统产生 混乱。很多文件系 统出于运行速度考虑�在程序运行过程中�常将数据暂存在 SDRAM中�一旦系统意外掉电�往往会造成数据丢失。 Cramfs文件系统将文件系统内容解压到内存中�由于其不 能写入�文件系统的内容无法更改�因此不存在掉电保护的问题。 JFFS2是一种日志结构文件系统�因此不论电源以何种方 式在哪个时刻停止供电�JFFS2都能保持数据完整性。当系统 遭受不正常断电后重新启动 时�JFFS2自动将系统恢复到断电 前最后一个稳定状态。需要注意的是�文件系统在最后一个稳定 状态之后发生的任何改变�都无法进行恢复。 YAFFS2是一种类日志文件系统�可以在意外掉电重启后 自动提供可靠的数据记录�防止文件系统的崩溃。它使用独立的 日志文件跟踪文件系统内容的变化。举 例来说�当应用程序需 要写Flash的某一页时�它首先修改的是存放于文件日志中的一 块镜像�只有当日志中的镜像复制到文件系统中后�数据才真实 地写到该 页上。当发生意外掉电重启后�YAFFS2没有像JFFS2 那样�使用旧文件完全代替新写文件�而是选择用新文件完全代替旧的文件�或者已写部分使用新文 件�未写部分使用旧文件。 这种方式增强了掉电时未完全写入文件的安全性能�特别是当意 外掉电发生在数据区时�意外掉电时的文件几乎被完好地保存下 来。 运行速度 运行速度可以从以下几个方面考察�文件系统挂载速度� 读文件速度�写文件速度等。这里预设的储存介质是NAND Flash。 一般而言�压缩的、只读的文件系统在启动时需要将文件 系统解压到SDRAM中�这在一定程度上会减缓文件系统挂载速 度。但是�Cramfs文件系统在设计 时充分考虑了系统挂载的时 间�并没有一次性地把文件系统的所有内容都解压到内存中�而 只是在系统需要访问某个位置的数据时�迅速计算出该数据在 Cramfs中的位置�将其解压缩到内存之中�再进行访问操作。 由于其读文件速度只是找出文件地址以及访问内存的操作�所以 无论是挂载速度�还是读文 件速度� Cramfs文件系统都比 JFFS2和YAFFS2文件系统要快。 JFFS2文件系统的挂载可以分为以下几个步骤进行� 1. 检查每个节点CRC校验码的合法性�在内存中为每个节点每个节点分配必需的相关的结构� 2. 扫瞄每个i节点的物理节点链表�建立链接� 3. 释放扫瞄过程中使用的临时信息。 可以看出这个过程还是很复杂的�更重要的是�在JFFS2 文件系统被挂载时�需要对整个Flash储存区域进行扫瞄�这就 耗费了大量的时间�因此 JFFS2文件系统的开机速度非常缓慢。 与JFFS2相比�YAFFS2减少了一些功能�挂载时只需扫瞄Flash 内存的空闲区�根据从OOB�备份资 料区�中读取的yaffs_tags 信息判读是文件头页面还是资料页面�再根据相应信息在内存中 为每个文件建立一个对应的yaffs_object对 象。由于YAFFS2 在系统加载时只需扫瞄各个页面的OOB区�即可建立起整个文 件系统的结构�而不需要像JFFS2那样扫瞄整个Flash设备� 因此大 大加快了文件系统的启动速度。但是�YAFFS2仍然要 求对整个Flash设备所有页的空闲进行扫瞄�这就导致当Flash 设备储存空间变大时�系统扫瞄 时间会直线上升。 在文件系统运行时�JFFS2需要维护几个链表来管理擦写 块。根据擦写块上的内容�一个擦写块可能会在不同的链表上。 具体来说�当一个擦写块上都是合法 �valid�的节点时�它会 在clean_list上�当一个擦写块包含至少一个过时�obsolete� 的节点时�它会在dirty_list上�当 一个擦写块被擦写完毕�并被写入Cleanmarker节点后�它会在free_list上。正是以这些 链表为基础� JFFS2文件系统才可以实现垃圾回收、损耗平衡 等性能。文件系统挂载时YAFFS2在内存中建立一个层次结构 的索引�可以看作是一个文件树。树的最底 层指向实际存放文 件的页面�高层则是一层层的索引目录。文件树是通过一个联合 结构的节点来实现的。联合结构是固定大小�32字节��当它 处于最底层时� 由16个2字节入口来查找页面ID�当处于其 它层时�由8个4字节指针指向其它更低层的节点。每个文件对 应一个文件树�便于检索。在以NAND Flash为储存介质的嵌入 式系统中�YAFFS2的文件读写性能都优于JFFS2。 占用资源 在嵌入式系统中�内存和外部内存资源匮乏�需要节约使 用。因此占用的内存和外部内存资源量也是衡量嵌入式文件系统 的一个重要指针。 如果使用RAMDISK方式运行文件系统�那么在系统运行 之后�首先要把Flash上的映像文件解压到内存中�才可以开始 运行程序。这样�同样的程序代码 不仅在外部内存中占据了空 间�而且由于解压缩�还在内存中占用了更大的空间。Cramfs 虽然是一个压缩式的文件系统�但前面已介绍过�它并不需要一 次性地将所有内容解压到内存之中。由于其对文件内容的压缩�因此无论是外部内存还是内存� Cramfs都比JFFS2和YAFFS2 占用更少的资源。 JFFS2将文件系统的数据和原数据以节点的形式储存在 Flash上�其冗余数据只是节点头部的CRC校验码�并且在储 存时对节点的数据进行了压缩。与之 相比�YAFFS2不仅储存 了页数据的ECC校验码�并且没有Flash设备OOB区储存数 据�而是用来储存页节点信息。其映像也是由若干个页面组成� 没 有对数据进行压缩�因此YAFFS2文件系统映像大大超过了 JFFS2文件系统映像。实验表明�普通YAFFS2映像的大小约 为同样JFFS2映像大小的 2倍。当文件系统在内存中运行时� JFFS2在内存中定义了若干链表�YAFFS2在内存中为每个文 件创建一个文件树。尽管为每个文件建立一个文件 树需要消耗 掉不少的内存�但是比起维护JFFS2所需的链表消耗的内存� 还是少一些。在实际运行中�YAFFS2占用的内存要小于JFFS2 文件系 统。 使用范围 要使用Cramfs或JFFS2文件系统�离不开MTD驱动程 序层的支持。MTD�Memory Technology Device�是Linux中 的一个储存设备通用界面层。虽然也可以建立在RAM上�但它 是专为基于Flash的设备而设计的。MTD包含特定Flash 芯片的驱动程序� Flash芯片驱动向上层提供读、写、擦除等基本 的Flash操作方法。MTD对这些操作进行封装后向用户层提供 MTD char和MTD block类型的设备。MTD char类型的设备包 括/dev/mtd0等�可以对Flash的原始字符访问�MTD block类 型的设备包括/dev/mtdblock0等�将Flash模拟成块设备�这样 就可以在这些块设备上创建Cramfs或JFFS2等格式的文 件系 统。在对用户层的界面上� Cramfs或JFFS2文件系统还需要 操作系统VFS�虚拟文件系统�的支持。 同样�YAFFS2文件系统支持使用MTD驱动层和VFS层� 这也是一般在嵌入式Linux或者μClinux操作系统中使用 YAFFS2文件系统的常用 方法。除此之外�YAFFS2还带有 NAND Flash芯片驱动�并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和VFS�直接对文 件进行操作。图1 为嵌入式系统的文件系统结构。 YAFFS2中的YAFFS2 Direct提供了直接的文件系统界 面�因此在那些没有VFS层的嵌入式系统中也可使用YAFFS2。 YAFFS2文件系统的使用范围要比Cramfs和 JFFS2文件系统 广泛�但是需要注意的是�YAFFS2只能用在NAND Flash储存 设备上。 结论 这3种嵌入式文件系统在嵌入式系统中的应用非常广泛� 但是又具有各自的特点。表2 比较了3种文件系统的主要性能� 并归纳出各自最适用的领域。 具体分析如下� 1. Cramfs是最早的一种嵌入式文件系统�它只储存了最少的信 息�对文件内容进行了压缩�运行速度比较 快。但是由于其不能写入�不支持超过16 MB大小的文件�因 此广泛地应用于储存空间小、文件系统内容 较少并且不需要用户写入的嵌入式系统中。 2. JFFS2是一种较早的Flash专用文件系统。目前已有很多 JFFS2应用于μClinux以及嵌入式Linux的例子。事 实上�它已经成为新版Linux中的一种标准文件系统。 同时它对NOR Flash和NAND Flash提供支持�针对两种Flash 设备共同的特性�提供掉电保护和损耗平衡等 功能�可供用户读写�十分适合于同时用到这两种Flash设备的 嵌入式系统。 3. YAFFS2是专为NAND Flash设计的文件系统�它充分考虑 了NAND Flash设备的特性�支持ECC校验�提 供掉电保护和损耗平衡功能�运行和挂载速度都比JFFS2要快。 它支持操作系统广泛�包括常见的嵌入 式Linux、WinCE、μClinux。由于它提供Direct界面�因此稍 加修改也可使用在没有操作系统的嵌入式 系统中。目前�被广泛应用于使用NAND Flash作为储存设备的 嵌入式系统中。 针对具体应用�可以在考察各种文件系统特点的基础上� 选择更适合自身系统的一种文件系统解决方案。比如在许多以 NAND Flash为储存介质的应用系统中�都用到「Cramfs YAFFS2」文件系统。以Cramfs作为根文件系统�既提高了启 动速度�也能保护根文件不 受破坏�使用YAFFS2作为用户文 件系统�在保证用户可以自由读写文件的基础上�提高了文件系 统的安全性和运行速度�不失为一种优良的嵌入式文件系统解 决方案。由 于嵌入式系统自身存在一些特殊要求�使得一些传
统的文件系统 (如FAT、EXT2等) 并不十分适合。专
用的嵌入式文件系统应有一些自身的特性�如文件系统
面对的储存介质特殊性、文件系统应具有的跨平台的安
全性�以及整个系统的实时性等。本 文介绍了3种源
码开放的嵌入式文件系统Cramfs、JFFS2、YAFFS2�
详细分析比较了这3种文件系统的主要性能�并根据分
析结果指出了各自的适 用领域
Cramfs、JFFS2、YAFFS2是3种性能优越�专用于嵌入式系
统的文件系统。本文通过对这3种文件系统的设计原理和主要性
能进行分析与比较�归 纳出各自的选型依据据和适用领域。
三种文件系统的介绍 Cramfs Cramfs是Linux的创始人Linus Torvalds开发的一种只读
文件系统�采用了zlib压缩�压缩比一般可以达到1�2�但仍
可以做到高效的随机读取。在Linux系统中�通常把不需 要经
常修改的目录压缩存放�在系统引导时再将压缩文件解开。
Cramfs并不需要一次性地把文件系统的所有内容都解压到内存
中�而只是在系统需要访问某 个位置的数据时�马上计算出该数据在Cramfs中的位置�将其解压缩到内存之中�然后通过对
内存的访问来获取需要读取的数据。
JFFS2 JFFS意为「Journaling Flash File System」�该文件系统
是瑞典Axis通信公司开发的一种基于Flash内存的日志文件系
统。该公司于1999年在GNU/Linux上发行了第一 版JFFS文
件系统�后来经过Redhat公司的发展�现在已经发行了第二个
版本的JFFS2�其全部程序代码都是可供研究开发的。它在设
计时充分考虑了嵌 入式系统中Flash内存的读写特性�确保在
系统掉电时�正在读写的文件不受影响�同时�其储存策略以及
抗疲劳性等方面也在第一版的基础上进行了改进。 目前�JFFS2
广泛应用于嵌入式系统中�尤其是嵌入式μClinux操作系统中。
YAFFS2 YAFFS意为「Yet Another Flash File System」�是目前
唯一一个专门为NAND Flash设计的文件系统。它采用了类日志
结构�结合NAND Flash的特点�提供了损耗平衡和掉电保护机
制�可以有效地避免意外掉电对文件系统一致性和完整性的影
响。Aleph One公司于2002年5月发布了第一版YAFFS程序
代码�用户可以很方便地在网站上下载到。第一版的YAFFS只
支持每页512字节的NAND Flash。 YAFFS2是YAFFS的升级版�即支持每页512字节的NAND Flash内存�也支持每页
2048字节的NAND Flash内存。
Flash内存 Flash设备特点
相对于传统储存介质�Flash内存具有如下优点�
˙ 可靠性高�采用Flash为储存介质�可以确保100万次以上的
可靠写入�
˙ 储存速度快�写入∕读取均可接近1Mb/s�
˙ 使用方便�具有很强的环境适应能力。
但是�由于其制造制程的问题�还存在以下缺点�
˙ 读取和写入以页为单位�擦除以块为单位�
˙ 易出现随机坏块�
˙ 块与块之间使用不均衡会导致寿命问题。
NOR Flash和NAND Flash
基于NOR技术的Flash内存是最早出现的Flash内存�它
具有以下特点�
˙ 程序和数据可存放在同一芯片上�拥有独立的数据总线和地址
总线�支持快速随机读取�允许系统直接从Flash中读取程序代码并执行�而无需先将程序代码下载至RAM中再执行�
˙ 可以单字节或单字程序化�但必须以块为单位进行擦除操作。
由于NOR Flash内存的擦除和程序化速度较慢�而块尺寸
又比较大�因此擦除和程序化操作所花费的时间很长。目前�
NOR Flash内存大多只用于储存嵌入式系统的启动程序代码。
NAND Flash内存可以顺序读取储存单元的内容�由于制
程上的进步�其容量越来越大�单位价格越来越便宜�正逐步成
为Flash内存的主流。NAND Flash内存具有以下特点�
˙ 以页为单位进行读写操作�以块为单位进行擦除操作�页大小
为512字节或2048字节�每页不仅有
数据区�还有几十字节的空闲区。
˙ 数据、地址采用同一总线接口�串行读取。
˙ 芯片尺寸小�接脚少�单位成本低。
˙ 芯片内含有失效块�并且在使用过程中可能会出现随机坏块。
表1 比较了这两种Flash内存的性能参数。
三种嵌入式文件系统主要性能分析与比较 数据安全、运行速度、占用资源、使用范围等是嵌入式文
件系统的主要性能指针。下面从这几个方面入手�对这三种嵌入
式文件系统进行分析与比较。
数据安全 当前的嵌入式系统主要使用固态Flash芯片作为储存设备。
由于Flash设备自身的特点以及嵌入式系统工作环境的复杂多
样性�如何保证数据的安全是嵌入 式文件系统首先要考虑的问
题。数据安全主要包括数据冗余和掉电保护等部分。
资料冗余
提高数据安全性的最有效措施是增加数据的冗余�而数据的大量冗余又给维护资料一致性
带来困难。对此应进行合理取舍�在尽量降低冗余的前提下�确保数据的安全性和可靠性。
Cramfs文件系统是一种只读文件系统�文件系统内容不可
更改�设计思想遵循「只储存最少的信息」�甚至没有时间戳之类的信息�除了数据包的CRC校验 信息外�几乎没有别的数据
冗余。
JFFS2文件系统是典型的日志结构的文件系统�它储存的
数据是日志式数据信息。JFFS2在Flash上只有两种类型的数据
实 体�j.ffs2_raw_inode和jffs2_raw dirent。前者包含文件的管
理信息�后者用于描述文件在文件系统中的位置。真正的数据信
息就保持在jffs2_raw_inode节点的后面�大部分 管理的信息都
是在系统挂载之后建立起来的。两种数据实体有着公共的文件头
结构jffs2 _ unknown_node。在这个结构里�有个jint32 _t类型
的hdr_crc变量�它代表文件头部中其它域的CRC校验值。这
说明JFFS2文件系统使用的是CRC循环冗余校验码。
YAFFS2文件系统是一种类日志文件系统�专用于NAND
型Flash设备。其储存数据的基本单位是chunk�相当于Flash
的页。Chunk中的 数据包括两部分�一部分是数据区�占用Flash
的一页�另一部分是文件信息及冗余数据区�占用Flash页的
OOB区。其冗余数据主要是ECC校验资 料�对于小页�每页
512字节�的Flash�每页有6字节的ECC数据�对于大页�每
页2048字节�的Flash�每页有24字节的ECC资 料。
掉电保护 掉电保护的目的是�在系统意外失去供电的情况下�保证
系统运行状态的确定性以及记录数据的完整性�当系统供电恢复
后�现场数据可以及时恢复�避免系统产生 混乱。很多文件系
统出于运行速度考虑�在程序运行过程中�常将数据暂存在
SDRAM中�一旦系统意外掉电�往往会造成数据丢失。
Cramfs文件系统将文件系统内容解压到内存中�由于其不
能写入�文件系统的内容无法更改�因此不存在掉电保护的问题。
JFFS2是一种日志结构文件系统�因此不论电源以何种方
式在哪个时刻停止供电�JFFS2都能保持数据完整性。当系统
遭受不正常断电后重新启动 时�JFFS2自动将系统恢复到断电
前最后一个稳定状态。需要注意的是�文件系统在最后一个稳定
状态之后发生的任何改变�都无法进行恢复。
YAFFS2是一种类日志文件系统�可以在意外掉电重启后
自动提供可靠的数据记录�防止文件系统的崩溃。它使用独立的
日志文件跟踪文件系统内容的变化。举 例来说�当应用程序需
要写Flash的某一页时�它首先修改的是存放于文件日志中的一
块镜像�只有当日志中的镜像复制到文件系统中后�数据才真实
地写到该 页上。当发生意外掉电重启后�YAFFS2没有像JFFS2
那样�使用旧文件完全代替新写文件�而是选择用新文件完全代替旧的文件�或者已写部分使用新文 件�未写部分使用旧文件。
这种方式增强了掉电时未完全写入文件的安全性能�特别是当意
外掉电发生在数据区时�意外掉电时的文件几乎被完好地保存下
来。
运行速度 运行速度可以从以下几个方面考察�文件系统挂载速度�
读文件速度�写文件速度等。这里预设的储存介质是NAND
Flash。
一般而言�压缩的、只读的文件系统在启动时需要将文件
系统解压到SDRAM中�这在一定程度上会减缓文件系统挂载速
度。但是�Cramfs文件系统在设计 时充分考虑了系统挂载的时
间�并没有一次性地把文件系统的所有内容都解压到内存中�而
只是在系统需要访问某个位置的数据时�迅速计算出该数据在
Cramfs中的位置�将其解压缩到内存之中�再进行访问操作。
由于其读文件速度只是找出文件地址以及访问内存的操作�所以
无论是挂载速度�还是读文 件速度� Cramfs文件系统都比
JFFS2和YAFFS2文件系统要快。
JFFS2文件系统的挂载可以分为以下几个步骤进行�
1. 检查每个节点CRC校验码的合法性�在内存中为每个节点每个节点分配必需的相关的结构�
2. 扫瞄每个i节点的物理节点链表�建立链接�
3. 释放扫瞄过程中使用的临时信息。
可以看出这个过程还是很复杂的�更重要的是�在JFFS2
文件系统被挂载时�需要对整个Flash储存区域进行扫瞄�这就
耗费了大量的时间�因此 JFFS2文件系统的开机速度非常缓慢。
与JFFS2相比�YAFFS2减少了一些功能�挂载时只需扫瞄Flash
内存的空闲区�根据从OOB�备份资 料区�中读取的yaffs_tags
信息判读是文件头页面还是资料页面�再根据相应信息在内存中
为每个文件建立一个对应的yaffs_object对 象。由于YAFFS2
在系统加载时只需扫瞄各个页面的OOB区�即可建立起整个文
件系统的结构�而不需要像JFFS2那样扫瞄整个Flash设备�
因此大 大加快了文件系统的启动速度。但是�YAFFS2仍然要
求对整个Flash设备所有页的空闲进行扫瞄�这就导致当Flash
设备储存空间变大时�系统扫瞄 时间会直线上升。
在文件系统运行时�JFFS2需要维护几个链表来管理擦写
块。根据擦写块上的内容�一个擦写块可能会在不同的链表上。
具体来说�当一个擦写块上都是合法 �valid�的节点时�它会
在clean_list上�当一个擦写块包含至少一个过时�obsolete�
的节点时�它会在dirty_list上�当 一个擦写块被擦写完毕�并被写入Cleanmarker节点后�它会在free_list上。正是以这些
链表为基础� JFFS2文件系统才可以实现垃圾回收、损耗平衡
等性能。文件系统挂载时YAFFS2在内存中建立一个层次结构
的索引�可以看作是一个文件树。树的最底 层指向实际存放文
件的页面�高层则是一层层的索引目录。文件树是通过一个联合
结构的节点来实现的。联合结构是固定大小�32字节��当它
处于最底层时� 由16个2字节入口来查找页面ID�当处于其
它层时�由8个4字节指针指向其它更低层的节点。每个文件对
应一个文件树�便于检索。在以NAND Flash为储存介质的嵌入
式系统中�YAFFS2的文件读写性能都优于JFFS2。
占用资源 在嵌入式系统中�内存和外部内存资源匮乏�需要节约使
用。因此占用的内存和外部内存资源量也是衡量嵌入式文件系统
的一个重要指针。
如果使用RAMDISK方式运行文件系统�那么在系统运行
之后�首先要把Flash上的映像文件解压到内存中�才可以开始
运行程序。这样�同样的程序代码 不仅在外部内存中占据了空
间�而且由于解压缩�还在内存中占用了更大的空间。Cramfs
虽然是一个压缩式的文件系统�但前面已介绍过�它并不需要一
次性地将所有内容解压到内存之中。由于其对文件内容的压缩�因此无论是外部内存还是内存� Cramfs都比JFFS2和YAFFS2
占用更少的资源。
JFFS2将文件系统的数据和原数据以节点的形式储存在
Flash上�其冗余数据只是节点头部的CRC校验码�并且在储
存时对节点的数据进行了压缩。与之 相比�YAFFS2不仅储存
了页数据的ECC校验码�并且没有Flash设备OOB区储存数
据�而是用来储存页节点信息。其映像也是由若干个页面组成�
没 有对数据进行压缩�因此YAFFS2文件系统映像大大超过了
JFFS2文件系统映像。实验表明�普通YAFFS2映像的大小约
为同样JFFS2映像大小的 2倍。当文件系统在内存中运行时�
JFFS2在内存中定义了若干链表�YAFFS2在内存中为每个文
件创建一个文件树。尽管为每个文件建立一个文件 树需要消耗
掉不少的内存�但是比起维护JFFS2所需的链表消耗的内存�
还是少一些。在实际运行中�YAFFS2占用的内存要小于JFFS2
文件系 统。
使用范围 要使用Cramfs或JFFS2文件系统�离不开MTD驱动程
序层的支持。MTD�Memory Technology Device�是Linux中
的一个储存设备通用界面层。虽然也可以建立在RAM上�但它
是专为基于Flash的设备而设计的。MTD包含特定Flash 芯片的驱动程序� Flash芯片驱动向上层提供读、写、擦除等基本
的Flash操作方法。MTD对这些操作进行封装后向用户层提供
MTD char和MTD block类型的设备。MTD char类型的设备包
括/dev/mtd0等�可以对Flash的原始字符访问�MTD block类
型的设备包括/dev/mtdblock0等�将Flash模拟成块设备�这样
就可以在这些块设备上创建Cramfs或JFFS2等格式的文 件系
统。在对用户层的界面上� Cramfs或JFFS2文件系统还需要
操作系统VFS�虚拟文件系统�的支持。
同样�YAFFS2文件系统支持使用MTD驱动层和VFS层�
这也是一般在嵌入式Linux或者μClinux操作系统中使用
YAFFS2文件系统的常用 方法。除此之外�YAFFS2还带有
NAND Flash芯片驱动�并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和VFS�直接对文
件进行操作。图1 为嵌入式系统的文件系统结构。
YAFFS2中的YAFFS2 Direct提供了直接的文件系统界
面�因此在那些没有VFS层的嵌入式系统中也可使用YAFFS2。
YAFFS2文件系统的使用范围要比Cramfs和 JFFS2文件系统
广泛�但是需要注意的是�YAFFS2只能用在NAND Flash储存
设备上。
结论 这3种嵌入式文件系统在嵌入式系统中的应用非常广泛�
但是又具有各自的特点。表2 比较了3种文件系统的主要性能�
并归纳出各自最适用的领域。
具体分析如下�
1. Cramfs是最早的一种嵌入式文件系统�它只储存了最少的信
息�对文件内容进行了压缩�运行速度比较
快。但是由于其不能写入�不支持超过16 MB大小的文件�因
此广泛地应用于储存空间小、文件系统内容
较少并且不需要用户写入的嵌入式系统中。
2. JFFS2是一种较早的Flash专用文件系统。目前已有很多
JFFS2应用于μClinux以及嵌入式Linux的例子。事
实上�它已经成为新版Linux中的一种标准文件系统。
同时它对NOR Flash和NAND Flash提供支持�针对两种Flash
设备共同的特性�提供掉电保护和损耗平衡等
功能�可供用户读写�十分适合于同时用到这两种Flash设备的
嵌入式系统。
3. YAFFS2是专为NAND Flash设计的文件系统�它充分考虑
了NAND Flash设备的特性�支持ECC校验�提 供掉电保护和损耗平衡功能�运行和挂载速度都比JFFS2要快。
它支持操作系统广泛�包括常见的嵌入
式Linux、WinCE、μClinux。由于它提供Direct界面�因此稍
加修改也可使用在没有操作系统的嵌入式
系统中。目前�被广泛应用于使用NAND Flash作为储存设备的
嵌入式系统中。
针对具体应用�可以在考察各种文件系统特点的基础上�
选择更适合自身系统的一种文件系统解决方案。比如在许多以
NAND Flash为储存介质的应用系统中�都用到「Cramfs
YAFFS2」文件系统。以Cramfs作为根文件系统�既提高了启
动速度�也能保护根文件不 受破坏�使用YAFFS2作为用户文
件系统�在保证用户可以自由读写文件的基础上�提高了文件系
统的安全性和运行速度�不失为一种优良的嵌入式文件系统解
决方案。
由 于嵌入式系统自身存在一些特殊要求�使得一些传
统的文件系统 (如FAT、EXT2等) 并不十分适合。专
用的嵌入式文件系统应有一些自身的特性�如文件系统
面对的储存介质特殊性、文件系统应具有的跨平台的安
全性�以及整个系统的实时性等。本 文介绍了3种源
码开放的嵌入式文件系统Cramfs、JFFS2、YAFFS2�
详细分析比较了这3种文件系统的主要性能�并根据分
析结果指出了各自的适 用领域
Cramfs、JFFS2、YAFFS2是3种性能优越�专用于嵌入式系
统的文件系统。本文通过对这3种文件系统的设计原理和主要性
能进行分析与比较�归 纳出各自的选型依据据和适用领域。
三种文件系统的介绍 Cramfs Cramfs是Linux的创始人Linus Torvalds开发的一种只读
文件系统�采用了zlib压缩�压缩比一般可以达到1�2�但仍
可以做到高效的随机读取。在Linux系统中�通常把不需 要经
常修改的目录压缩存放�在系统引导时再将压缩文件解开。
Cramfs并不需要一次性地把文件系统的所有内容都解压到内存
中�而只是在系统需要访问某 个位置的数据时�马上计算出该数据在Cramfs中的位置�将其解压缩到内存之中�然后通过对
内存的访问来获取需要读取的数据。
JFFS2 JFFS意为「Journaling Flash File System」�该文件系统
是瑞典Axis通信公司开发的一种基于Flash内存的日志文件系
统。该公司于1999年在GNU/Linux上发行了第一 版JFFS文
件系统�后来经过Redhat公司的发展�现在已经发行了第二个
版本的JFFS2�其全部程序代码都是可供研究开发的。它在设
计时充分考虑了嵌 入式系统中Flash内存的读写特性�确保在
系统掉电时�正在读写的文件不受影响�同时�其储存策略以及
抗疲劳性等方面也在第一版的基础上进行了改进。 目前�JFFS2
广泛应用于嵌入式系统中�尤其是嵌入式μClinux操作系统中。
YAFFS2 YAFFS意为「Yet Another Flash File System」�是目前
唯一一个专门为NAND Flash设计的文件系统。它采用了类日志
结构�结合NAND Flash的特点�提供了损耗平衡和掉电保护机
制�可以有效地避免意外掉电对文件系统一致性和完整性的影
响。Aleph One公司于2002年5月发布了第一版YAFFS程序
代码�用户可以很方便地在网站上下载到。第一版的YAFFS只
支持每页512字节的NAND Flash。 YAFFS2是YAFFS的升级版�即支持每页512字节的NAND Flash内存�也支持每页
2048字节的NAND Flash内存。
Flash内存 Flash设备特点
相对于传统储存介质�Flash内存具有如下优点�
˙ 可靠性高�采用Flash为储存介质�可以确保100万次以上的
可靠写入�
˙ 储存速度快�写入∕读取均可接近1Mb/s�
˙ 使用方便�具有很强的环境适应能力。
但是�由于其制造制程的问题�还存在以下缺点�
˙ 读取和写入以页为单位�擦除以块为单位�
˙ 易出现随机坏块�
˙ 块与块之间使用不均衡会导致寿命问题。
NOR Flash和NAND Flash
基于NOR技术的Flash内存是最早出现的Flash内存�它
具有以下特点�
˙ 程序和数据可存放在同一芯片上�拥有独立的数据总线和地址
总线�支持快速随机读取�允许系统直接从Flash中读取程序代码并执行�而无需先将程序代码下载至RAM中再执行�
˙ 可以单字节或单字程序化�但必须以块为单位进行擦除操作。
由于NOR Flash内存的擦除和程序化速度较慢�而块尺寸
又比较大�因此擦除和程序化操作所花费的时间很长。目前�
NOR Flash内存大多只用于储存嵌入式系统的启动程序代码。
NAND Flash内存可以顺序读取储存单元的内容�由于制
程上的进步�其容量越来越大�单位价格越来越便宜�正逐步成
为Flash内存的主流。NAND Flash内存具有以下特点�
˙ 以页为单位进行读写操作�以块为单位进行擦除操作�页大小
为512字节或2048字节�每页不仅有
数据区�还有几十字节的空闲区。
˙ 数据、地址采用同一总线接口�串行读取。
˙ 芯片尺寸小�接脚少�单位成本低。
˙ 芯片内含有失效块�并且在使用过程中可能会出现随机坏块。
表1 比较了这两种Flash内存的性能参数。
三种嵌入式文件系统主要性能分析与比较 数据安全、运行速度、占用资源、使用范围等是嵌入式文
件系统的主要性能指针。下面从这几个方面入手�对这三种嵌入
式文件系统进行分析与比较。
数据安全 当前的嵌入式系统主要使用固态Flash芯片作为储存设备。
由于Flash设备自身的特点以及嵌入式系统工作环境的复杂多
样性�如何保证数据的安全是嵌入 式文件系统首先要考虑的问
题。数据安全主要包括数据冗余和掉电保护等部分。
资料冗余
提高数据安全性的最有效措施是增加数据的冗余�而数据的大量冗余又给维护资料一致性
带来困难。对此应进行合理取舍�在尽量降低冗余的前提下�确保数据的安全性和可靠性。
Cramfs文件系统是一种只读文件系统�文件系统内容不可
更改�设计思想遵循「只储存最少的信息」�甚至没有时间戳之类的信息�除了数据包的CRC校验 信息外�几乎没有别的数据
冗余。
JFFS2文件系统是典型的日志结构的文件系统�它储存的
数据是日志式数据信息。JFFS2在Flash上只有两种类型的数据
实 体�j.ffs2_raw_inode和jffs2_raw dirent。前者包含文件的管
理信息�后者用于描述文件在文件系统中的位置。真正的数据信
息就保持在jffs2_raw_inode节点的后面�大部分 管理的信息都
是在系统挂载之后建立起来的。两种数据实体有着公共的文件头
结构jffs2 _ unknown_node。在这个结构里�有个jint32 _t类型
的hdr_crc变量�它代表文件头部中其它域的CRC校验值。这
说明JFFS2文件系统使用的是CRC循环冗余校验码。
YAFFS2文件系统是一种类日志文件系统�专用于NAND
型Flash设备。其储存数据的基本单位是chunk�相当于Flash
的页。Chunk中的 数据包括两部分�一部分是数据区�占用Flash
的一页�另一部分是文件信息及冗余数据区�占用Flash页的
OOB区。其冗余数据主要是ECC校验资 料�对于小页�每页
512字节�的Flash�每页有6字节的ECC数据�对于大页�每
页2048字节�的Flash�每页有24字节的ECC资 料。
掉电保护 掉电保护的目的是�在系统意外失去供电的情况下�保证
系统运行状态的确定性以及记录数据的完整性�当系统供电恢复
后�现场数据可以及时恢复�避免系统产生 混乱。很多文件系
统出于运行速度考虑�在程序运行过程中�常将数据暂存在
SDRAM中�一旦系统意外掉电�往往会造成数据丢失。
Cramfs文件系统将文件系统内容解压到内存中�由于其不
能写入�文件系统的内容无法更改�因此不存在掉电保护的问题。
JFFS2是一种日志结构文件系统�因此不论电源以何种方
式在哪个时刻停止供电�JFFS2都能保持数据完整性。当系统
遭受不正常断电后重新启动 时�JFFS2自动将系统恢复到断电
前最后一个稳定状态。需要注意的是�文件系统在最后一个稳定
状态之后发生的任何改变�都无法进行恢复。
YAFFS2是一种类日志文件系统�可以在意外掉电重启后
自动提供可靠的数据记录�防止文件系统的崩溃。它使用独立的
日志文件跟踪文件系统内容的变化。举 例来说�当应用程序需
要写Flash的某一页时�它首先修改的是存放于文件日志中的一
块镜像�只有当日志中的镜像复制到文件系统中后�数据才真实
地写到该 页上。当发生意外掉电重启后�YAFFS2没有像JFFS2
那样�使用旧文件完全代替新写文件�而是选择用新文件完全代替旧的文件�或者已写部分使用新文 件�未写部分使用旧文件。
这种方式增强了掉电时未完全写入文件的安全性能�特别是当意
外掉电发生在数据区时�意外掉电时的文件几乎被完好地保存下
来。
运行速度 运行速度可以从以下几个方面考察�文件系统挂载速度�
读文件速度�写文件速度等。这里预设的储存介质是NAND
Flash。
一般而言�压缩的、只读的文件系统在启动时需要将文件
系统解压到SDRAM中�这在一定程度上会减缓文件系统挂载速
度。但是�Cramfs文件系统在设计 时充分考虑了系统挂载的时
间�并没有一次性地把文件系统的所有内容都解压到内存中�而
只是在系统需要访问某个位置的数据时�迅速计算出该数据在
Cramfs中的位置�将其解压缩到内存之中�再进行访问操作。
由于其读文件速度只是找出文件地址以及访问内存的操作�所以
无论是挂载速度�还是读文 件速度� Cramfs文件系统都比
JFFS2和YAFFS2文件系统要快。
JFFS2文件系统的挂载可以分为以下几个步骤进行�
1. 检查每个节点CRC校验码的合法性�在内存中为每个节点每个节点分配必需的相关的结构�
2. 扫瞄每个i节点的物理节点链表�建立链接�
3. 释放扫瞄过程中使用的临时信息。
可以看出这个过程还是很复杂的�更重要的是�在JFFS2
文件系统被挂载时�需要对整个Flash储存区域进行扫瞄�这就
耗费了大量的时间�因此 JFFS2文件系统的开机速度非常缓慢。
与JFFS2相比�YAFFS2减少了一些功能�挂载时只需扫瞄Flash
内存的空闲区�根据从OOB�备份资 料区�中读取的yaffs_tags
信息判读是文件头页面还是资料页面�再根据相应信息在内存中
为每个文件建立一个对应的yaffs_object对 象。由于YAFFS2
在系统加载时只需扫瞄各个页面的OOB区�即可建立起整个文
件系统的结构�而不需要像JFFS2那样扫瞄整个Flash设备�
因此大 大加快了文件系统的启动速度。但是�YAFFS2仍然要
求对整个Flash设备所有页的空闲进行扫瞄�这就导致当Flash
设备储存空间变大时�系统扫瞄 时间会直线上升。
在文件系统运行时�JFFS2需要维护几个链表来管理擦写
块。根据擦写块上的内容�一个擦写块可能会在不同的链表上。
具体来说�当一个擦写块上都是合法 �valid�的节点时�它会
在clean_list上�当一个擦写块包含至少一个过时�obsolete�
的节点时�它会在dirty_list上�当 一个擦写块被擦写完毕�并被写入Cleanmarker节点后�它会在free_list上。正是以这些
链表为基础� JFFS2文件系统才可以实现垃圾回收、损耗平衡
等性能。文件系统挂载时YAFFS2在内存中建立一个层次结构
的索引�可以看作是一个文件树。树的最底 层指向实际存放文
件的页面�高层则是一层层的索引目录。文件树是通过一个联合
结构的节点来实现的。联合结构是固定大小�32字节��当它
处于最底层时� 由16个2字节入口来查找页面ID�当处于其
它层时�由8个4字节指针指向其它更低层的节点。每个文件对
应一个文件树�便于检索。在以NAND Flash为储存介质的嵌入
式系统中�YAFFS2的文件读写性能都优于JFFS2。
占用资源 在嵌入式系统中�内存和外部内存资源匮乏�需要节约使
用。因此占用的内存和外部内存资源量也是衡量嵌入式文件系统
的一个重要指针。
如果使用RAMDISK方式运行文件系统�那么在系统运行
之后�首先要把Flash上的映像文件解压到内存中�才可以开始
运行程序。这样�同样的程序代码 不仅在外部内存中占据了空
间�而且由于解压缩�还在内存中占用了更大的空间。Cramfs
虽然是一个压缩式的文件系统�但前面已介绍过�它并不需要一
次性地将所有内容解压到内存之中。由于其对文件内容的压缩�因此无论是外部内存还是内存� Cramfs都比JFFS2和YAFFS2
占用更少的资源。
JFFS2将文件系统的数据和原数据以节点的形式储存在
Flash上�其冗余数据只是节点头部的CRC校验码�并且在储
存时对节点的数据进行了压缩。与之 相比�YAFFS2不仅储存
了页数据的ECC校验码�并且没有Flash设备OOB区储存数
据�而是用来储存页节点信息。其映像也是由若干个页面组成�
没 有对数据进行压缩�因此YAFFS2文件系统映像大大超过了
JFFS2文件系统映像。实验表明�普通YAFFS2映像的大小约
为同样JFFS2映像大小的 2倍。当文件系统在内存中运行时�
JFFS2在内存中定义了若干链表�YAFFS2在内存中为每个文
件创建一个文件树。尽管为每个文件建立一个文件 树需要消耗
掉不少的内存�但是比起维护JFFS2所需的链表消耗的内存�
还是少一些。在实际运行中�YAFFS2占用的内存要小于JFFS2
文件系 统。
使用范围 要使用Cramfs或JFFS2文件系统�离不开MTD驱动程
序层的支持。MTD�Memory Technology Device�是Linux中
的一个储存设备通用界面层。虽然也可以建立在RAM上�但它
是专为基于Flash的设备而设计的。MTD包含特定Flash 芯片的驱动程序� Flash芯片驱动向上层提供读、写、擦除等基本
的Flash操作方法。MTD对这些操作进行封装后向用户层提供
MTD char和MTD block类型的设备。MTD char类型的设备包
括/dev/mtd0等�可以对Flash的原始字符访问�MTD block类
型的设备包括/dev/mtdblock0等�将Flash模拟成块设备�这样
就可以在这些块设备上创建Cramfs或JFFS2等格式的文 件系
统。在对用户层的界面上� Cramfs或JFFS2文件系统还需要
操作系统VFS�虚拟文件系统�的支持。
同样�YAFFS2文件系统支持使用MTD驱动层和VFS层�
这也是一般在嵌入式Linux或者μClinux操作系统中使用
YAFFS2文件系统的常用 方法。除此之外�YAFFS2还带有
NAND Flash芯片驱动�并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和VFS�直接对文
件进行操作。图1 为嵌入式系统的文件系统结构。
YAFFS2中的YAFFS2 Direct提供了直接的文件系统界
面�因此在那些没有VFS层的嵌入式系统中也可使用YAFFS2。
YAFFS2文件系统的使用范围要比Cramfs和 JFFS2文件系统
广泛�但是需要注意的是�YAFFS2只能用在NAND Flash储存
设备上。
结论 这3种嵌入式文件系统在嵌入式系统中的应用非常广泛�
但是又具有各自的特点。表2 比较了3种文件系统的主要性能�
并归纳出各自最适用的领域。
具体分析如下�
1. Cramfs是最早的一种嵌入式文件系统�它只储存了最少的信
息�对文件内容进行了压缩�运行速度比较
快。但是由于其不能写入�不支持超过16 MB大小的文件�因
此广泛地应用于储存空间小、文件系统内容
较少并且不需要用户写入的嵌入式系统中。
2. JFFS2是一种较早的Flash专用文件系统。目前已有很多
JFFS2应用于μClinux以及嵌入式Linux的例子。事
实上�它已经成为新版Linux中的一种标准文件系统。
同时它对NOR Flash和NAND Flash提供支持�针对两种Flash
设备共同的特性�提供掉电保护和损耗平衡等
功能�可供用户读写�十分适合于同时用到这两种Flash设备的
嵌入式系统。
3. YAFFS2是专为NAND Flash设计的文件系统�它充分考虑
了NAND Flash设备的特性�支持ECC校验�提 供掉电保护和损耗平衡功能�运行和挂载速度都比JFFS2要快。
它支持操作系统广泛�包括常见的嵌入
式Linux、WinCE、μClinux。由于它提供Direct界面�因此稍
加修改也可使用在没有操作系统的嵌入式
系统中。目前�被广泛应用于使用NAND Flash作为储存设备的
嵌入式系统中。
针对具体应用�可以在考察各种文件系统特点的基础上�
选择更适合自身系统的一种文件系统解决方案。比如在许多以
NAND Flash为储存介质的应用系统中�都用到「Cramfs
YAFFS2」文件系统。以Cramfs作为根文件系统�既提高了启
动速度�也能保护根文件不 受破坏�使用YAFFS2作为用户文
件系统�在保证用户可以自由读写文件的基础上�提高了文件系
统的安全性和运行速度�不失为一种优良的嵌入式文件系统解
决方案。
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