Linux系統(tǒng)實現(xiàn)YAFFS2文件系統(tǒng)存儲

隨著集成技術(shù)的發(fā)展和集成系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，對集成系統(tǒng)運行的需求也越來越大。因此，與硬盤相比，高性能數(shù)據(jù)的存儲和管理變得越來越重要。flash等非易失性存儲器的優(yōu)點是體積小、體積小能源消耗。低地震容量和大NAND flash頁面具有寫入速度快，高容量和低容量成本。It適用于數(shù)據(jù)存儲ES.Yaffs2U-boot和Linux沒有正式用作支持NAND頁的文件系統(tǒng)。結(jié)合flash和power的紙上集成電路系統(tǒng)，實現(xiàn)了nandeflash與Yaffs2文件系統(tǒng)的結(jié)合，為數(shù)據(jù)存儲和存儲提供了一個小型的智能平臺正在處理系統(tǒng)存儲程序的屬性和NAND頁上的Yaffs2數(shù)據(jù)存儲類型如下所示描述。閃光是 啊。然后詳細描述了系統(tǒng)遷移和文件系統(tǒng)生成過程，并對遷移結(jié)果進行了測試。

1 系統(tǒng)存儲方案設(shè)計

某國產(chǎn)化設(shè)備用于取代隨裝多臺套設(shè)備，除完成原設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄功能外，還需進行數(shù)據(jù)翻譯、判讀，數(shù)據(jù)分析處理，二維顯示和三維動態(tài)復(fù)現(xiàn)等功能；同時，需存儲裝備長時間工作輸出的所有原始數(shù)據(jù)信息，類似黑匣子功能，以供事后分析使用。具有程序量大，數(shù)據(jù)需實時存儲，且數(shù)據(jù)存儲量大的特點。板上存儲設(shè)備包括SDRAM和FLASH，SDRAM為易失性存儲器，作為程序的運行空間和記錄數(shù)據(jù)的緩存空間；FLASH為非易失性存儲器，用于存儲系統(tǒng)軟件程序和記錄數(shù)據(jù)。

嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的FLASH主要有NORFLASH和NAND FLASH兩種。NOR FLASH的塊大小范圍為64～128 KB，其容量一般為l～32 MB，可作為嵌入式設(shè)備的啟動設(shè)備，適合于代碼存儲。NAND FLASH的塊大小范圍為8～64 KB，容量一般為8～512 MB，適合于數(shù)據(jù)存儲。它們之間的主要差別有以下幾點。

（1）速度。在寫數(shù)據(jù)和擦除數(shù)據(jù)時，NANDFLASH支持整塊擦寫操作，其速度比NOR FLASH要快得多，兩者相差近千倍；讀取時，NAND FLASH要先向芯片發(fā)送地址信息進行尋址才能開始讀寫數(shù)據(jù)，而NOR FLASH的操作則是以字或字節(jié)為單位進行的，直接讀取，所以讀取數(shù)據(jù)時，NOR FLASH效率更高。

（2）容量和成本。NOR FLASH的每個存儲單元與位線相連，增加了芯片內(nèi)位線的數(shù)量，不利于存儲密度的提高。在面積和工藝相同的情況下，NANDFLASH的容量比NOR FLASH要大得多，生產(chǎn)成本更低。

（3）易用性。NAND FLASH的I／O端口采用復(fù)用的數(shù)據(jù)線和地址線，必須先通過寄存器串行地進行數(shù)據(jù)存取，各個產(chǎn)品或廠商對信號的定義不同，增加了應(yīng)用的難度；NOR FLASH有專用的地址引腳來尋址，較容易與其他芯片進行連接，另外還支持片上執(zhí)行XIP（eXecute In Place），應(yīng)用程序可以直接在FLASH內(nèi)部運行，簡化了產(chǎn)品設(shè)計。

（4）可靠性。由于FLASH的電器特性，在讀／寫數(shù)據(jù)過程中，會產(chǎn)生比特位反轉(zhuǎn)，造成一位或幾位數(shù)據(jù)錯誤。NAND FLASH位反轉(zhuǎn)的幾率比NOR FLASH高，在使用時需要使用EDC／ECC算法。NANDFLASH還可能會隨機分布壞塊。

（5）耐久性。FLASH由于寫入和擦除數(shù)據(jù)時會導(dǎo)致介質(zhì)的氧化降解，導(dǎo)致芯片老化，所以并不適合頻繁地擦寫，NAND FLASH的擦寫次數(shù)是100萬次，而NOR FLASH只有10萬次。

基于以上分析，為了滿足經(jīng)常性的進行實時快速大容量數(shù)據(jù)存儲和較長使用壽命的要求，采用NANDFLASH來存儲操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，其復(fù)雜操作、比特位反轉(zhuǎn)和壞塊等問題可以通過文件系統(tǒng)解決。NORFLASH因為出現(xiàn)位反轉(zhuǎn)和壞塊的幾率小，并且讀取速度快，用來存儲啟動程序，能保證正常啟動系統(tǒng)的前提下提高設(shè)備反應(yīng)時間。整個系統(tǒng)的存儲空間分配如圖1所示。

整個系統(tǒng)存儲空間由SDRAM，NOR FLASH，NAND FLASH組成。其中，sDRAM分成程序空間（Prog Space）和數(shù)據(jù)空間（Data Space）。NORFLASH存儲系統(tǒng)啟動程序U-Boot；NAND FLAsH分成程序空間（Prog Space）和數(shù)據(jù)空間（Data Space），程序空間中固化存儲Linux操作系統(tǒng)和YAFFS2文件系統(tǒng)及相應(yīng)的應(yīng)用程序，在U-Boot的控制下，通過頁傳輸方式讀入SDRAM程序空間中；數(shù)據(jù)空間中存儲來自前端的原始數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在SDR-AM中打包，以頁方式將數(shù)據(jù)寫入NAND FLASH中，提高數(shù)據(jù)寫入速度。

對小頁NAND FLASH的文件系統(tǒng)支持已有比較多的編程實例可借鑒，而對本文使用的大頁NANDFLASH的編程支持還沒有完整的說明。因此，移植嵌入式操作系統(tǒng)，以建立對大頁NAND FLASH支持的文件系統(tǒng)是該存儲方案需解決的關(guān)鍵問題。

2 YAFFS／YAFFS2文件系統(tǒng)分析

目前廣泛應(yīng)用的嵌入式文件系統(tǒng)有JFFS／JFFS2（JournaIling FLASH File Systern） 和 YAFFS／YAFFS2（Yet Another FLASH File Syst-em）。JFFS／JFFS2文件系統(tǒng)主要針對NOR FLASH設(shè)計，在NAND FLASH上性能不佳。YAFFS／YAFFS2文件系統(tǒng)是專門針對NAND FLASH設(shè)計，其具有可寫入、修改并能永久保存文件的特性，并提供了損耗平衡和掉電保護。與JFFS相比，它減少了一些功能，因此速度更快、占用內(nèi)存更少。此外YAFFS自帶NANDFLASH芯片驅(qū)動，并為嵌入式系統(tǒng)提供了直接訪問文件系統(tǒng)的API，用戶可以不使用Linux中的MTD和VFS，直接對文件進行操作。

YAFFS文件系統(tǒng)已發(fā)展為兩個版本，YAFFS和YAFFS2。YAFFS版本只支持512 B的小頁NANDFLASH。而YAFFS2作為YAFFS的升級版，在向下兼容小頁NAND FLASH的同時也能夠更好地支持2 KB的大頁NAND FLASH。YAFFS2的性能與YAFFS相比有很大提高，表1為YAFFS，YAFFS2（512 B×8），YAFFS2（2 KB×8）三者性能比較，從測試結(jié)果可以看出，YAFFS2和2 KB大頁NANDFLASH的結(jié)合更好地提高了存儲器操作效率。

YAFFS2文件系統(tǒng)在設(shè)計時就充分考慮了大頁NAND FLASH的結(jié)構(gòu)，根據(jù)大頁NAND FLASH以頁面為單位存取的特點，將文件組織成固定大小的頁，利用大頁NAND FLASH提供的每個頁面（2 112 B，其中前2 048 B存儲數(shù)據(jù)）64 B的備用空間（SpareData，OOB）來存放ECC和文件系統(tǒng)的組織信息，這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)錯誤檢測和壞塊處理，還能夠提高文件系統(tǒng)的加載速度。以三星公司的K9F1G08UOA的NANDFLASH為例，它的單片存儲容量為128 MB，由1 024 block組成，每個塊包含64 page，每個頁均包含一個2 048 B的數(shù)據(jù)區(qū)和64 B的備用空間，總共包含2 112 B。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2說明了YAFFS2文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)在NANDFLASH的備用空間內(nèi)的存儲布局。

blockState：描述該塊的狀態(tài)。如果不是OxFF，就說明是壞塊。相對應(yīng)的是，所有正常的塊，里面所有數(shù)據(jù)都是OxFF的。

chunkld：描述該頁在一個文件內(nèi)的索引，所以文件大小被限制在232×2 KB。chunkld為O，說明此頁面保存的是文件頭。不為O，說明是數(shù)據(jù)頁面。文件內(nèi)偏移量為0，即放在第一個頁面的文件，其chunkId為1，后面的以此類推。

ObjectID：描述對象ID號，用來惟一標(biāo)示一個文件。所以YAFFS2文件系統(tǒng)支持的文件總數(shù)限制在232個。

nBytes：記錄該頁面內(nèi)的有效字節(jié)數(shù)。

blockSequence：記錄著各塊被分配出去的先后順序，每分配出去一塊，就加1。在YAFFS2文件系統(tǒng)建立的時候，塊的掃描順序就是由它決定的，而不是FLASH的物理介質(zhì)順序。在垃圾收集的時候也會以此作為參考之一，判斷該塊是否適合回收。

tagsEcc：Ecc，YAFFS Tags區(qū)域的ECC校驗數(shù)據(jù)。

ECC：數(shù)據(jù)區(qū)的ECC校驗數(shù)據(jù)。讀／寫數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)時，每256 B生成3 B ECC校驗和，一頁面2 KB數(shù)據(jù)就會生成24 B的校驗數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)移植

此次開發(fā)采用宿主機+目標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)模式。宿主機為PC+Fedora9，F(xiàn)edora9安裝在PC的虛擬機內(nèi)。目標(biāo)系統(tǒng)軟硬件組成為目標(biāo)板（CPU為S3C2440A）+U-Boot+嵌入式Linux，Linux版本為2．6．29．4。交叉編譯工具為arm-linux-gcc-4．3．2。

選用嵌入式Linux系統(tǒng)是因為它有著技術(shù)上先進，健壯、安全；是多任務(wù)系統(tǒng)，支持ARM體系結(jié)構(gòu)；源碼開放，驅(qū)動程序及其他資源非常豐富，良好的可移植性等優(yōu)點。嵌入式系統(tǒng)的移植從軟件角度可以分為以下四個步驟。如圖3所示。

（1）引導(dǎo)加載程序的移植，包括固化在固件（Fireware）中的boot代碼和Bootloader兩大部分。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中并沒有固件，Bootlo-ader是上電后執(zhí)行的第一個程序。它主要用來初始化處理器及外設(shè)，然后調(diào)用Linux內(nèi)核。

（2）嵌入式Linux內(nèi)核移植。特定于嵌入式處理系統(tǒng)的定制內(nèi)核以及內(nèi)核的啟動參數(shù)。內(nèi)核的啟動參數(shù)可以是內(nèi)核默認的，或是由Bootlo-ader傳遞給它的。

（3）文件系統(tǒng)制作。包括根文件系統(tǒng)和建立于FLASH內(nèi)存設(shè)備之上的文件系統(tǒng)。里面包含了Linux系統(tǒng)配置文件和運行應(yīng)用軟件所需要的庫等。

（4）用戶應(yīng)用程序編寫。特定于用戶的應(yīng)用程序，它所實現(xiàn)的功能通常就是設(shè)計該嵌入式系統(tǒng)所要達到的目標(biāo)，它們也存儲在文件系統(tǒng)內(nèi)。

3．1 Bootloader移植

對于支持ARM架構(gòu)的Bootloader有U-Boot，Vivi等。U-Boot（Universal Boot Loader）即通用Bootloader，是遵循GPL條款的開放源代碼項目。它可以引導(dǎo)Linux，VxWorks，LynxOS等多種操作系統(tǒng)。支持PowerPC，x86，ARM等多種架構(gòu)的CPU，具有豐富的設(shè)備驅(qū)動源碼，如串口、以太網(wǎng)、SDRAM，F(xiàn)LASH等。系統(tǒng)采用U-Boot的版本為1．1．6，它已支持SMDK2410開發(fā)板，在其基礎(chǔ)上進行修改。U-Boot 1．1．6中對NAND FLASH的支持有新舊兩套代碼，新代碼在drivers/nand目錄下，舊代碼在driver／nand_legacy目錄下。本次移植選用新代碼，它移植自Lin-ux2．6．12，更加智能。移植過程分以下幾步。

（1）根據(jù)具體輸入時鐘，修改時鐘定義參數(shù)。SMDK2410開發(fā)板的默認時鐘為12 MHz。

（2）依照實際開發(fā)板的內(nèi)存地址分配情況修改lowlevel init．S文件。

（3）針對S3C2410，S3C2440 NAND FLASH控制器的不同，修改接口參數(shù)。

（4）仿照內(nèi)核支持NAND FLASH的文件來編寫片選函數(shù)。命令和控制函數(shù)，查詢狀態(tài)函數(shù)。

（5）根據(jù)具體NAND FLASH芯片設(shè)置時序參數(shù)。

（6）增加從NAND FLASH燒寫，讀取YAFFS2文件系統(tǒng)映像功能。

（7）修改Makefile文件，將新建文件編入U-Boot中。

在編寫燒寫YAFFS2文件系統(tǒng)映像的命令時，要注意YAFFS2文件系統(tǒng)映像里除了2 KB的數(shù)據(jù)外，后面還包括了64 B的OOB數(shù)據(jù)，所以映像文件大小是以2 112 B為單位。OOB中已經(jīng)包含了ECC，在燒寫時不需要再計算ECC校驗碼。燒寫時，首先檢查是否為壞塊，是就跳過，然后寫入2 KB的數(shù)據(jù)，最后寫入64 B的OOB數(shù)據(jù)。還要增加對skipfirstblk參數(shù)的支持。使燒寫YAFFS2文件系統(tǒng)映像時，跳過分區(qū)上第一個塊，這是由YAFFS2文件系統(tǒng)特性決定的。

由于不使用ECC校驗碼，燒寫過程中會不斷提示以下信息：

Writing data without ECC to NAND-FLASH is not reeom-mended

可以修改driver／mtd／nand／nand base．C文件的nand_write_page函數(shù)，將輸出這條信息的命令去掉。

最后執(zhí)行make XX_config和make all命令，生成的U-Boot．bin文件即可以運行與目標(biāo)板上了。將它燒入NOR FLASH后啟動，在串口工具中能夠看到提示信息。輸入nand info命令即可查看到NAND FLASH的信息，說明U-Boot識別出了NAND FLASH。

3．2 嵌入式Linux內(nèi)核移植

目前Linux內(nèi)核還沒有正式支持YAFFS文件系統(tǒng)，所以需要通過補丁修改Linux內(nèi)核，另外YAFFS文件系統(tǒng)也需要MTD設(shè)備驅(qū)動的支持。首先下載最新版本的2．6內(nèi)核，這里以linux-2．6．29．4為例。盡管Linux 2．6并不是一個真正的實時操作系統(tǒng)，但其改進的特性能夠滿足系統(tǒng)響應(yīng)需求。再下載YAFFS代碼包。內(nèi)有YAFFS和YAFFS 2兩個文件夾。其中YAFFS已經(jīng)不再維護，進入YAFFS2。文件夾內(nèi)有patch-ker．sh補丁文件，使用以下命令將YAFFS2加入到Linux內(nèi)核。

以上命令完成了三件事情：

（1）修改內(nèi)核fs／Kconfig。增加一行：source”fs／YAFFS2／Kconfig”。

（2）修改內(nèi)核fs／Kconfig。增加一行：ojb-MYM（CONFIG_YAFFS_FS）+=YAFFS2／。

（3）在內(nèi)核fs／目錄下創(chuàng)建YAFFS2目錄；將YAFFS2源碼目錄下面的Makefile．kernel文件復(fù)制為內(nèi)核fs／YAFFS2／Makefie；將YAFFS2源碼目錄的Kconfig文件復(fù)制到內(nèi)核fs/YAFFS2目錄下；將YAFFS2源碼目錄下的*．C*．h文件復(fù)制到內(nèi)核fs／YAFFS2目錄下。

進入內(nèi)核目錄，修改makefile，并對內(nèi)核進行默認配置進行修改，使其支持本開發(fā)板。

結(jié)合U-Boot信息修改NAND FLASH分區(qū)，使其兩者結(jié)構(gòu)大小保持一致。注意分區(qū)的大小要以128 kB為單位。

根據(jù)具體NAND FLASH芯片特性，修改tacls，twrph0，twrphl的值。

修改arch／arm／tools／math-types文件，使其Linux內(nèi)核的機器號與Bootloader傳遞來的參數(shù)一致。建立好交叉編譯環(huán)境，在環(huán)境變量PATH中添加交叉編譯工具路徑?；蛘咧苯釉趍akefile文件內(nèi)添加修改也可以。使用make s3c2410_defconfig命令，將2410的默認配置文件寫到當(dāng)前目錄下的．config。使用make me-nuconfig命令配置內(nèi)核模塊的功能，要選中MTD和YAFFS2支持。在Boot options選項中增加以下語句。

使用make zImage命令，生成是zlmage映像文件。再用mkimage工具制作ulmage，uImage是U-Boot專用的映像文件，它在zImage之前加上一個長度為0x40的“頭”，說明這個映像文件的類型、加載位置、生成時間、大小等信息。

3．3 制作文件系統(tǒng)

嵌入式Linux系統(tǒng)都需要構(gòu)建根文件系統(tǒng)，構(gòu)建根文件系統(tǒng)的規(guī)則在文件系統(tǒng)層次標(biāo)準(zhǔn)（Filesystem Hi-erarchy Standard，F(xiàn)HS）文檔中。首先建立根文件系統(tǒng)目錄和動態(tài)鏈接庫，然后使用Busybox工具可以生成根文件系統(tǒng)所需的bin，sbin，usr目錄和linuxrc文件。Bosybox是一個遵循GPL v2協(xié)議的開源項目，它在編寫過程總對文件大小進行優(yōu)化，并考慮了系統(tǒng)資源有限（比如內(nèi)存等）的情況，為嵌入式系統(tǒng)提供了一個比較完整的工具集。

YAFFS2源代碼包內(nèi)除了本身文件系統(tǒng)代碼外，utils 目 錄下還包含了 mkYAFFSimage／mkYAFFS2image的代碼，修改Makefile里的內(nèi)核路徑編譯出mkYAFFSimage／mkYAFFS2image工具。其中mkYAFFSimage用于制作512 B的小頁YAFFS文件系統(tǒng)，mkYAFFS2image用于制作2 KB以上的大頁YAFFS2文件系統(tǒng)。輸入以下格式命令，制作出支持大頁的YAFFS2文件系統(tǒng)映像。

mkYAFFS2image MYM{PRJROOT}rootfs rootfs．YAFFS

通過mkYAFFS2image制做出來的映像文件其OOB中包含的ECC是使用YAFFS2／YAFFS ecc．c文件中的YAFFS ECCCaimJlate函數(shù)計算出來的

ECC校驗碼，其校驗算法和nand ecc．c文件內(nèi)的nand_calculate_ecc函數(shù)校驗算法不同，如果在內(nèi)核中由MTD來處理ECC，當(dāng)讀取NAND FLASH中的數(shù)據(jù)時，會通過nand_calculate_ecc函數(shù)的算法再生成一個新的ECC校驗和，校驗的時候，將從OOB區(qū)中讀出的原ECC校驗和新ECC校驗和按位異或，其錯誤的結(jié)果會造成系統(tǒng)認為所有的頁面都是錯誤的。解決辦法有兩種，一是在內(nèi)核編譯時把Lets YAFFS do itsown ECC選上，同時修改內(nèi)核把MTD驅(qū)動中的ECC校驗關(guān)閉；二是修改mkYAFFS2image．c文件，使其制作image時使用nand_caleulate_ecc函數(shù)的校驗算法，在內(nèi)核編譯時不要把Lets YAFFS do its own ECC選上，同時打開MTD驅(qū)動中的ECC校驗。

3．4 系統(tǒng)測試

啟動系統(tǒng)后，Bootloader首先運行，然后它將內(nèi)核復(fù)制到內(nèi)存中，并且在內(nèi)存某個固定的地址設(shè)置好要傳遞給內(nèi)核的參數(shù)，最后運行內(nèi)核。內(nèi)核啟動之后，它會將文件系統(tǒng)掛載為根文件系統(tǒng)，接著啟動文件系統(tǒng)中的應(yīng)用程序。啟動途中會顯示如下信息：

以上信息說明系統(tǒng)已經(jīng)找到NAND FLASH設(shè)備，并識別出分區(qū)。進入系統(tǒng)后，輸入下面命令。

在輸出結(jié)果中，顯示了YAFFS2的相關(guān)信息，說明Linux內(nèi)核已經(jīng)支持YAFFS2文件系統(tǒng)。

建立掛載點，掛載blockdevice設(shè)備。

查看mount上的目錄，可以看到該目錄下有剛才拷貝的文件，將其umount后，再次mount上來，發(fā)現(xiàn)拷貝的文件仍然存在，這時刪除該文件然后umount，再次mount后，發(fā)現(xiàn)拷貝的文件已經(jīng)被刪除，說明該分區(qū)能正常讀／寫。

在FLASH上建立根文件系統(tǒng)：

重新啟動，改變啟動參數(shù)：

重新啟動，內(nèi)核可以從NAND FLASH啟動根文件系統(tǒng)。

4 結(jié)語

大頁NAND FLASH的快速擦除、讀／寫性能滿足了系統(tǒng)對實時性的要求，YAFFS2可靠的掉電保護和高效率的讀寫以及對NAND FLASH存儲設(shè)備的保護等優(yōu)勢增加了整個系統(tǒng)的安全性和健壯性，兩者的結(jié)合達到了裝備對數(shù)據(jù)的大容量存儲和管理的需求。目前，該系統(tǒng)已裝備于某部，用于實時監(jiān)測裝備的戰(zhàn)技術(shù)狀況，以及長時間實時記錄裝備工作數(shù)據(jù)，用于事后分析評估裝備性能和操作手水平，在部隊作訓(xùn)中發(fā)揮了重大作用。