YAFFS文件系统在嵌入式Linux上的实现

     引言

       随着嵌入式技术在各种电子产品中的广泛应用，嵌入式系统中的数据存储和管理已经成为一个重要的研究课题。Flash存储器具有速度快、容量大、成本低等很多优点，因此在嵌入式系统中被广泛用做外存储器件。Flash主要有NOR和NAND两种类型。目前，针对NOR Flash设计的文件系统JFFS/JFFS2在嵌入式系统中已得到广泛的应用；随着NAND作为大容量存储介质的普及，基于NAND闪存的文件系统YAFFS(Yet Another Flash File System)正逐渐被应用到嵌入式系统中。

       NAND闪存介绍

 

       NOR 和NAND是现在市场上两种主要的非易失性闪存技术。NOR比较适合存储程序代码，其容量一般小于16MB；NAND则是高密度数据存储的理想解决方案，其容量可达1GB以上。NAND闪存的存储单元为页和块。一般来说，128MB以下容量芯片的一页大小为528字节，依次分为2个256字节的主数据区，最后是16字节的备用空间；一个块由若干页组成，通常为32页；一个存储设备又由若干块组成。与其他存储器相比，NAND闪存具有以下特点：不是完全可靠的，每块芯片出厂时都有一定比例的坏块存在；各个存储单元是不可直接改写的，在每次改写操作之前需要先擦除；擦除操作以块为单位进行，而读写操作通常以页为单位进行；各块的擦除次数有限，一般为10万~100万次；使用复杂的I/O口串行存取数据。

       YAFFS文件系统简介

       YAFFS类似于JFFS/JFFS2，是专门为NAND闪存设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备。它是日志结构的文件系统，提供了损耗平衡和掉电保护，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。YAFFS文件系统是按层次结构设计的，分为文件系统管理层接口、YAFFS内部实现层和NAND接口层，这样就简化了其与系统的接口设计，可以方便地集成到系统中去。与JFFS相比，它减少了一些功能，因此速度更快，占用内存更少。

       YAFFS充分考虑了NAND闪存的特点，根据NAND闪存以页面为单位存取的特点，将文件组织成固定大小的数据段。利用NAND闪存提供的每个页面16字节的备用空间来存放ECC(Error Correction Code)和文件系统的组织信息，不仅能够实现错误检测和坏块处理，也能够提高文件系统的加载速度。YAFFS采用一种多策略混合的垃圾回收算法，结合了贪心策略的高效性和随机选择的平均性，达到了兼顾损耗平均和系统开销的目的。

       YAFFS文件组织结构

       YAFFS将文件组织成固定大小(512字节)的数据段。每个文件都有一个页面专门存放文件头，文件头保存了文件的模式、所有者id、组id、长度、文件名等信息。为了提高文件数据块的查找速度，文件的数据段被组织成树形结构。YAFFS在文件进行改写时总是先写入新的数据块，然后将旧的数据块从文件中删除。YAFFS使用存放在页面备用空间中的ECC进行错误检测，出现错误后会进行一定次数的重试，多次重试失败后，该页面就被停止使用。

       YAFFS物理数据组织

       YAFFS充分利用了NAND闪存提供的每个页面16字节的备用空间，参考了SmartMedia的设定，备用空间中6个字节被用作页面数据的ECC，2个字节分别用作块状态字和数据状态字，其余的8字节(64位)用来存放文件系统的组织信息，即元数据。由于文件系统的基本组织信息保存在页面的备份空间中，因此，在文件系统加载时只需要扫描各个页面的备份空间，即可建立起整个文件系统的结构，而不需要像JFFS 那样扫描整个介质，从而大大加快了文件系统的加载速度。

       YAFFS擦除块和页面分配

       YAFFS中用数据结构来描述每个擦除块的状态。该数据结构记录了块状态，并用一个32位的位图表示块内各个页面的使用情况。在YAFFS中，有且仅有一个块处于“当前分配”状态。新页面从当前进行分配的块中顺序进行分配，若当前块已满，则顺序寻找下一个空闲块。

       YAFFS垃圾收集机制

       YAFFS使用一种多策略混合的算法来进行垃圾回收，将贪心策略和随机选择策略按一定比例混合使用：当满足特定的小概率条件时，垃圾回收器会试图随机选择一个可回收的页面；而在其他情况下，则使用贪心策略回收最“脏”的块。通过使用多策略混合的方法，YAFFS能够有效地改善贪心策略造成的不平均；通过不同的混合比例，则可以控制损耗平均和系统开销之间的平衡。考虑到NAND的擦除很快(和NOR相比可忽略不计)，YAFFS将垃圾收集的检查放在写入新页面时进行，而不是采用JFFS那样的后台线程方式，从而简化了设计。

       YAFFS实现开发环境简介

       本文采用的是宿主机＋目标板的开发模式。宿主机为PC+REDHAT9.0,目标板为三星公司的S3C2410＋嵌入式Linux，版本为2.6.11.12。NAND闪存是三星公司64MB的K9F5608U0C。YAFFS的源码可以从网站下载。

       YAFFS移植：

     1)在内核中建立YAFFS目录fs/yaffs，并把下载的YAFFS代码复制到该目录下面。

       2)修改fs/Kconfig，使得可以配置YAFFS。

       3)修改fs/makefile，添加如下内容：obj-$(CONFIG_YAFFS_FS) += yaffs/

       4)在生成的YAFFS目录中生成Makefile 和Kconfig文件。

       5)修改NAND分区。此分区要结合vivi里的分区进行设置，如下：

       6)配置内核时选中MTD支持和YAFFS支持。

       7)编译内核并将内核下载到开发板的Flash中。

       YAFFS文件系统测试：

       1)内核启动之后，启动信息中应该含有如下内容：

       2)如果在内核里面添加了proc文件系统的支持，那么proc中应该包含有关YAFFS的信息。

       3)dev目录下的相关目录中包括有关NAND设备的信息。

       4)建立mount目录 

       将文件拷贝到mount上的目录下后，umount设备，再次mount后可以发现拷贝的文件仍然存在。这时删除该文件，然后umount，再次mount后可以发现拷贝的文件已经被删除，由此可见该分区可以正常读写。

       5)在Flash上建立根文件系统：

       重新启动，并改变启动参数：param set linux_cmd_line "noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0"再次重新启动后，开发板就可以从Flash启动根文件系统了。

       结语

       YAFFS是专门为NAND闪存设计的,它的出现使得价格低廉的NAND闪存芯片具有了高效性和健壮性。YAFFS文件系统性能优越且易于移植，已经成功应用于Linux、Clinux和Windows CE等嵌入式操作系统上。现在，每页大小为2Kb的新型超大容量NAND闪存已经出现，针对这种Flash的文件系统YAFFS2正处于研究和应用当中。可以预见，基于NAND闪存的文件系统YAFFS/ YAFFS2将会应用于更多的嵌入式系统。