嵌入式操作系统VxWorks中TFFS文件系统的构建

嵌入式系统正随着Internet的发展而在各个领域得到广泛的应用，作为一个优秀的操作系统，VxWorks实现了比其他实时操作系统更好的有效性、商用性、可裁减性以及互操作性，广泛应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。

如今越来越多的嵌入式操作系统中，通常都使用FLASH作为主存介质。许多开发者和用户为了方便以后升级用户程序，通常在FLASH上建立TFFS 文件系统，建立文件系统后，我们就可以象在windows操作系统下对硬盘操作一样，进行数据的拷贝、删除以及文件的建立等操作。

NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先有EPROM和 EEPROM一统天下的局面。NOR的特点是芯片内执行XIP execute In Place，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，因此在嵌入式系统得到广泛的应用。

一、    TFFS文件系统结构简介

Tornado的TrueFFS是和VxWorks兼容的一种M-Systems Flite实现方式，版本为2.0。它为种类繁多的flash存储设备提供了统一的块设备接口，并且具有可重入、线程安全的特点，支持大多数流行的CPU构架。有了Tornado的TrueFFS，应用程序对 flash存储设备的读写就好象它们对拥有MS-DOS文件系统的磁碟设备的操作一样。
如图1所示，TrueFFS由核心层（core layer）和三个功能层，翻译层（translation layer），MTD层（MTD layer），socket层（socket layer）组成。

核心层（Core layer）：核心层主要起相互连接其他几层的功能。同时它也可以进行碎片回收、定时器和其他系统资源的维护。通常WindRiver公司将这部分内容以二进制文件提供。

翻译层主要实现TrueFFS和dosFs之间的高级交互功能。它也包含了控制flash映射到块、wear-leveling、碎片回收和数据完整性所需的智能化处理功能。目前有三种不同的翻译层模块可供选择。选择哪一种层要看你所用的flash介质是采用NOR-based, 还是NAND- based, 或者SSFDC-based技术而定。

　　Socket层则是提供TrueFFS和板卡硬件（如flash卡）的接口服务。其名字来源于用户可以插入flash卡的物理插槽。用来向系统注册socket设备，检测设备拔插，硬件写保护等。后面将详细讲解它的功能。

　　MTD层（Memory Technology Drivers）功能主要是实现对具体的flash进行读、写、擦、ID识别等驱动，并设置与 flash密切相关的一些参数。TrueFFS已经包含了支持Intel,AMD以及samsung部分flash芯片的MTD层驱动。新的芯片需要新的 MTD支持，你可以使用一个标准的接口来加入这些驱动。

　　以上四部分，我们通常要的工作就是后两层。

　　当在VxWorks下配置TrueFFS时，你必须为每一层至少包含一个软件模块。后面我们将详细讨论。

二、    MX29LV160BT芯片上建立TrueFFS文件系统

1、配置相关文件

在此，我以Nor Flash MX29LV160BT为例，开发工具为Tornado2.2 for PPC。要在VxWorks映像中包含 TrueFFS文件系统，首先必须在config.h文件中定义INCLUDE_TFFS。这使得VxWorks的初始化代码调用tffsDrv()来创建管理TrueFFS所需的结构和全局变量，并为所有挂接了的flash设备注册socket组件驱动。在链接的时候，通过解析与tffsDrv()相关联的符号（symbols）可以将TrueFFS所必需的软件模块链接到VxWorks映象中。

为了支持TrueFFS，每一个BSP目录下都必须包含一个sysTffs.c文件。它将TrueFFS所有的层（翻译层，socket层和MTD 层）链接到一起并和VxWorks绑定。因此，我必须编辑这个文件并决定哪一种MTD和翻译层模块应该包含到TrueFFS中。即：

#define INCLUDE_MTD_MX29LV           /* MX29LV160BT MTD driver */
#define INCLUDE_TL_FTL                  /* FTL translation layer */
#define    FLASH_BASE_ADRS        0x2a10000 /* Flash memory base address */
#undef FLASH_SIZE
#define    FLASH_SIZE        0x001f0000    /*Flash memory size,2M(parameter block) */

其他无关的MTD driver包含头都#undef掉，同时定义Flash在系统中的基地址和大小。另外，还必须编辑sysLib.c中的 sysPhysMemDesc[ ]数组，将Flash基地址和大小加入到MMU中，以供将来访问Flash，否则访问Flash会失败。如果BSP目录下没有sysTffs.c文件，那么我们可以从其他BSP目录下拷贝一个即可，然后做上述修改，其他的内容基本可以不用修改。

接下来需要修改tffsConfig.c文件，为了方便管理，通常我们将src/drv/tffs/目录下该文件拷贝到我们BSP目录下，然后再做出修改。在MTDidentifyRoutine mtdTable[]表中加入如下语句：

#ifdef  INCLUDE_MTD_MX29LV
    mx29lvMTDIdentify,
#endif  /* INCLUDE_MTD_MX29LV */
并在该文件开头声明。
#ifdef  INCLUDE_MTD_MX29LV
FLStatus  mx29lvMTDIdentify (FLFlash vol);
#endif   /* INCLUDE_MTD_MX29LV */
最后就是将我们的flash相关MTD驱动加入到makefile中。即：
MACH_EXTRA   = mx29lvMtd.o
为了方便我们调试MTD驱动，应该在重新编译VxWorks映象前将诸如格式化flash、创建TrueFFS块设备、绑定此块设备到dosFs所必要的功能包含到VxWorks映像中。比如如下定义：
#define  INCLUDE_TFFS
#ifdef INCLUDE_TFFS
#define INCLUDE_TFFS_DOSFS
#define INCLUDE_TFFS_SHOW
#define INCLUDE_DOSFS        /* dosFs file system */
#define INCLUDE_SHOW_ROUTINES    /* show routines for system facilities*/
#define INCLUDE_TL_FTL
#define INCLUDE_IO_SYSTEM
#define INCLUDE_DISK_UTIL
#endif /* INCLUDE_DOSFS */

2、MTD驱动简介
    做了上述配置后，进入VxWorks操作系统后，我们在shell上利用tffsShow工具来显示flash的信息。TffsShow函数最终会调用 MTD驱动中的mx29lvMtdIdentiy( )函数，在mx29lvMtdIdentiy ( )函数主要是通过读取MX29LV160BT芯片的设备和厂商ID来识别它，然后对FLFlash结构成员进行初始化，最主要的几个参数是：
type
    Flash内存的JEDEC ID号。

erasableBlockSize

Flash内存的擦除块大小（字节）。设置这个值时应考虑到interleaving。因此，通常通过如下方法来设置它的大小。
Vol.erasableBlockSize = MX29LV_MTD_SECTOR_SIZE * vol.interleaving;
对于MX29LV160BT，MX29LV_MTD_SECTOR_SIZE为64K字节。
chipSize
使用来构建TrueFFS文件系统的flash实际大小（字节）。
noOfChips
使用来构建TrueFFS文件系统的flash实际片数。
interleaving
   Flash内存交叉因子（interleaving factor）。即扩展数据总线的设备数。比如，一个32位数据总线上，我们可以使用4片8位或2片16位的设备。
map
   指向flash内存映射（map）函数。该函数将flash映射到内存区。
read
   指向flash内存的读函数。在MTD驱动识别函数中，这个成员函数已经被初始化为缺省的读函数。通常情况下，我们不需要再初始化它，否则还需要修改很多相关的函数。
write
指向flash内存的写函数。这个成员必须初始化，这是我们要做的一个重要工作。
erase
指向flash内存的擦除函数。这个成员必须初始化，这也是我们要做的一个重要工作。

针对FLFlash结构成员，我们所关心的两个函数就是写和擦除函数。在mx29lvMtdIdentiy()函数中必须有如下定义：
vol.write = mx29lvWrite;
vol.erase = mx29lvErase;
在mx29lvWrite()函数中主要是实现将数据写到flash中。首先需要对扇区进行解锁，然后写入写命令，之后才能进行数据的写入。最后需要判断数据是否写完。为了确保操作成功，我们应该在写完每个数据后进行数据的比较，比较正确后方能进行下一个数据的操作。
在mx29lvErase  ()函数中主要是实现flash扇区的擦除。如今的flash一般都是按照扇区进行擦除操作的。在擦除操作之前也应该首先对扇区进行解锁，然后写擦除建立和扇区擦除命令。擦除成功后，flash中的内容应该是0xffff。所以为了确保成功，我们还是应该在擦除后进行比较，比较正确后方能进入下一个扇区的擦除操作，否则返回擦除错误标志。
所以，对于MTD驱动的调试，基本上就是调试写和擦除两个函数。在调试过程中，我们可以在这两个函数相应位置加入打印语句来调试。为了能调试这两个函数，我们通过在shell上输入命令tffsDevFormat来格式化flash， tffsDevFormat最终会调用mx29lvErase和mx29lvWrite函数，如果成功就会返回0，否则返回-1。当然也可以调用 tffsDevCreate函数来验证我们的写和擦除函数的正确性。图2说明了tffsDevCreate调用过程。

在shell上利用tffsShow来验证mx29lvMtdIdentiy。
è    tffsShow 
0: socket=RFA: type=0x2249, unitSize=0x10000, mediaSize=0x1f0000 
value = 49 = 0x31 = "1"
说明已正确识别到MX29LV160BT设备，设备号为0x2249。

三、    建立TFFS设备
1、挂接设备名
MTD驱动调试成功后，我们就可以给flash设备挂接上dos设备名，如下操作：
格式化：
è    tffsDevFormat 
value = 1
è    usrTffsConfig 0,0,”/tffs0”
value = 0
然后通过devs来查看挂接的设备名。
è    devs
drv name                
  0 /null               
  1 /tyCo/0             
  1 /tyCo/1             
  5 host:               
  6 /pty/rlogin.S       
  7 /pty/rlogin.M       
  3 /tffs0/             
  8 /vio                
value = 25 = 0x19
看到/tffs0/说明挂接设备已经成功，接下来就可以利用dosFs文件系统相关命令来操作flash了。如，ls、copy等。

2、从Flash中启动并下载VxWorks映像
    要从flash中下载VxWorks映像，首先需要把VxWorks映像拷贝到flash中，在shell中的操作命令为copy “VxWorks”,”/tffs0/VxWorks”，然后修改config.h文件中引导行，如下：
#define DEFAULT_BOOT_LINE \
"tffs=0,0(0,0)host:/tffs0/VxWorks h=192.168.0.153 e=192.168.0.154 u=target pw=target o=cpm"
修改完后，重新编译生成bootrom_uncmp.bin，并把它烧写到flash中（注意：该flash与上面建立TFFS文件系统的flash不一样，它并没有建立文件系统）。然后重新启动，即可看到如下启动画面：
boot device          : tffs=0,0
unit number          : 0 
processor number     : 0 
host name            : host
file name            : /tffs0/VxWorks
inet on ethernet (e) : 192.168.0.154
host inet (h)        : 192.168.0.153
user (u)             : target
ftp password (pw)    : target
flags (f)            : 0x0 
other (o)            : cpm
Attaching to TFFS... done.
Loading /tffs0/VxWorks...894304
Starting at 0x10000...

Development System
        VxWorks version 5.5.1
        KERNEL: WIND version 2.6
        Copyright Wind River Systems, Inc., 1984-2003
    CPU: Motorola ADS - PowerPC 860.  Processor #0.
    Memory Size: 0x1000000.  BSP version 1.2/5.
    WDB Comm Type: WDB_COMM_END
                 WDB: Ready.

到此，说明引导成功。flash整个TFFS文件系统就已经建立成功。

四、    结论
VxWorks操作系统中支持TFFS文件系统，我们将VxWorks映像作为文件放到flash上，这就有利于开发者和用户更新应用程序而不需要影响bootrom，直接更新VxWorks映像或者将应用程序直接copy到flash中，然后装载到RAM中运行。

参考文献
1  VxWorks 5.5 Programmer’s Guide.

摘要：目前的嵌入式系统多使用FLASH作为主存，因此，如何有效管理FLASH上的数据非常重要。文章以MX29LV160BT芯片为例，讨论了在 VxWorks操作系统下Nor Flash上建立TFFS文件系统的一般步骤，从而为FLASH上的数据管理提供了理想的选择方式，同时也为开发者和用户升级程序提供了方便。

作者:蔡本华 高文炜   更新日期:2005-09-20