嵌入式linux文件系统简介

Linux支持多种文件系统，包括ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs和nfs等，为了对各类文件系统 进行统一管理，Linux引入了虚拟文件系统VFS(Virtual File System)，为各类文件系统提供一个统一的操作界面和应用编程接口。Linux启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。
不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据存储设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在嵌入式Linux应用中，主要的存储设备为 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存储器)，常用的基于存储设备的文件系统类型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

基于RAM的文件系统
initramfs
initramfs在编译内核的同时被编译并与内核生成一个映像文件，可以压缩也可以不压缩，但是目前只支持cpio包格式。它是根文件系统制作和制作的一种非常简单的方法，也可以通过执行这个文件系统中的程序引导真正的文件系统，这样加载根文件系统的工作就不是内核的工作，而是initramfs的工作。由于initramfs使用cpio包格式，所以很容易将一个单一的文件、目录、node编译链接到系统中去，这样很简单的系统中使用起来很方便，不需要另外挂接文件系统。
但是因为cpio包实际是文件、目录、节点的描述语言包，为了描述一个文件、目录、节点，要增加很多额外的描述文字开销，特别是对于目录和节点，本身很小额外添加的描述文字却很多，这样使得cpio包比相应的image文件大很多。
ramdisk
ramdisk是一种基于内存的虚拟文件系统(并非一个实际的文件系统)，它将一部分固定大小(这个大小在编译内核的make menuconfig时配置)的内存当作硬盘一个分区来使用。ramdisk是一种将实际的文件系统装入内存的机制，并且可以作为根文件系统，通常我们会使用ext2或ext3文件系统来格式化它。由于ramdisk是在内存中进行操作的，所以我们可以对里面的文件进行添加，修改，删除等等操作，但是一掉电，就什么也没有了。由于这个特性，我们可以将一些经常被访问而又不会更改的文件(如只读的根文件系统)通过Ramdisk放在内存中，这样可以明显地提高系统的性能。
在Linux的启动阶段，内核和ramdisk都是由 bootloader在启动时加载至内存的指定位置()，而initrd提供了一套机制，可以将内核映像和根文件系统一起载入内存。initrd 是boot loader initialized RAM disk，顾名思义是在系统初始化引导时候用的ramdisk，它的作用是完善内核的模块机制，让内核的初始化流程更具弹性。　
ramfs/tmpfs
Ramfs是Linus Torvalds开发的一种基于内存的文件系统，工作于虚拟文件系统(VFS)层，不能格式化，可以创建多个，在创建时可以指定其最大能使用的内存大小。(实际上，VFS本质上可看成一种内存文件系统，它统一了文件在内核中的表示方式，并对磁盘文件系统进行缓冲。)Ramfs/tmpfs文件系统把所有的文件都放在RAM中，所以读/写操作发生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs来存储一些临时性或经常要修改的数据，例如/tmp和/var目录，这样既避免了对Flash存储器的读写损耗，也提高了数据读写速度。Ramfs/tmpfs相对于传统的Ramdisk的不同之处主要在于：不能格式化，文件系统大小可随所含文件内容大小变化。但他们都不可以像ramdisk一样作为根文件系统，而只能像procfs，devfs一样作为伪文件系统使用。
nfs
NFS网络文件系统（Network File System）是由Sun开发并发展起来的一项在不同机器、不同操作系统之间通过网络共享文件的技术。在嵌入式Linux系统的开发调试阶段，可以利用该技术在主机上建立基于NFS的根文件系统，挂载到嵌入式设备，可以很方便地修改根文件系统的内容。
伪文件系统
以上讨论的都是基于存储设备的文件系统(memory-based file system)，它们都可用作Linux的根文件系统(除tmpfs和ramfs外)。实际上，Linux还支持逻辑的或伪文件系统(logical or pseudo file system)，例如procfs(proc文件系统)，用于获取系统信息，以及devfs(设备文件系统)和sysfs，用于维护设备文件。
基于FLASH的文件系统
Flash(闪存)作为嵌入式系统的主要存储媒介，有其自身的特性。Flash的写入操作只能把对应位置的1修改为0，而不能把0修改为1(擦除Flash就是把对应存储块的内容恢复为1)，因此，一般情况下，向Flash写入内容时，需要先擦除对应的存储区间，这种擦除是以块(block)为 单位进行的。
闪存主要有NOR和NAND两种技术(简单比较见附录)。Flash存储器的擦写次数是有限的，NAND闪存还有特殊的硬件接口和读写时序。因 此，必须针对Flash的硬件特性设计符合应用要求的文件系统；传统的文件系统如ext2等，用作Flash的文件系统会有诸多弊端。
在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存储技术设备)为底层硬件(闪存)和上层(文件系统)之间提供一个统一的抽象接口，即Flash的文件系统都是基于MTD驱动层的(参见下面的Linux下的文件系统结构图)。使用MTD驱动程序的主要优点在于，它是专门针对各种非易失性存储器(以闪存为主)而设计的，因而它对Flash有 更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读/写操作接口。
顺便一提，一块Flash芯片可以被划分为多个分区，各分区可以采用不同的文件系统；两块Flash芯片也可以合并为一个分区使用，采用一个文件系统。即文件系统是针对于存储器分区而言的，而非存储芯片。
jffs2
JFFS文件系统最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的内核为嵌入式系统开发的文件系统。JFFS2(Journalling Flash FileSystem v2，日志闪存文件系统版本2 )是RedHat公司基于JFFS开发的闪存文件系统，最初是针对RedHat公司的嵌入式产品eCos开发的嵌入式文件系统，所JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。它主要用于NOR型闪存，基于MTD驱动层，特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃/掉电安全保护，提供“写平衡”支持等。缺点主要是当文件系统已满或接近满时，因为垃圾收集的关系而使jffs2的运行速度大大放慢。
Jffs2不适合用于NAND闪存主要是因为NAND闪存的容量一般较大，这样导致jffs2为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大，另外，jffs2文件系统在挂载时需要扫描整个FLASH的内容，以找出所有的日志节点，建立文件结构，对于大容量的NAND闪存会耗费大量时间。
目前jffs3正在开发中，关于jffs2系列文件系统的使用详细文档，可参考MTD补丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。
yaffs2
yaffs/yaffs2（Yet Another Flash File System）是专为嵌入式系统使用NAND型闪存而设计的一种日志型文件系统。与jffs2相比，它减少了一些功能(例如不支持数 据压缩)，所以速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。另外，它还是跨平台的文件系统，除了Linux和eCos，还支持WinCE, pSOS和ThreadX等。
yaffs/yaffs2自带NAND芯片的驱动，并且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与VFS，直接对文件系统操作。当然，yaffs也可与MTD驱动程序配合使用。yaffs与yaffs2的主要区别在于，前者仅支持小页(512 Bytes) NAND闪存，后者则可支持大页(2KB) NAND闪存。同时，yaffs2在内存空间占用、垃圾回收速度、读/写速度等方面均有大幅提升。
ubifs
无排序区块图像文件系统(Unsorted Block Image File System, UBIFS)是用于固态硬盘存储设备上，并与LogFS相互竞争，作为JFFS2的后继文件系统之一。真正开始开发于2007年，并于2008年10月第一次加入稳定版本于Linux核心2.6.27版。UBIFS最早在2006年由IBM与Nokia的工程师Thomas Gleixner，Artem Bityutskiy所设计，专门为了解决MTD（Memory Technology Device）设备所遇到的瓶颈。由于Nand Flash容量的暴涨，YAFFS等皆无法再去控制Nand Flash的空间。UBIFS通过子系统UBI处理与MTD device之间的动作。与JFFS2一样，UBIFS 建构于MTD device 之上，因而与一般的block device不兼容。
JFFS2运行在MTD设备之上，而UBIFS则只能工作于UBI volume之上。也可以说，UBIFS涉及了三个子系统：
1.         MTD 子系统， 提供对flash芯片的访问接口， MTD子系统提供了MTD device的概念，比如/dev/mtdx，MTD可以认为是raw flash
2.         UBI subsystem，为flash device提供了wear-leveling和 volume management功能； UBI工作在MTD设备之上，提供了UBI volume；UBI是MTD设备的高层次表示，对上层屏蔽了一些MTD不得不处理的问题，比如wearing以及坏块管理
3.         UBIFS文件系统，工作于UBI之上
以下是UBIFS的一些特点：
可扩展性：UBIFS对flash 尺寸有着很好的扩展性； 也就是说mount时间，内存消耗以及I/O速度都不依赖与flash 尺寸（对于内存消耗并不是完全准确的，但是依赖性非常的低）； UBIFS可以很好的适应GB flashes;  当然UBI本身还有扩展性的问题，无论如何 UBI/UBIFS都比JFFS2的可扩展性好，此外如果UBI成为瓶颈，还可以通过升级UBI而不需改变UBIFS  
 快速mount：不像JFFS2，UBIFS在mount阶段不需要扫描整个文件系统，UBIFS mount介质的时间只是毫秒级，时间不依赖与flash的尺寸；然而UBI的初始化时间是依赖flash的尺寸的，因此必须把这个时间考虑在内
write-back 支持： 回写或者叫延迟写更准确些吧，同JFFS2的write-through(立即写入内存)相比可以显著的提高文件系统的吞吐量。  
 异常unmount适应度：UBIFS是一个日志文件系统可以容忍突然掉电以及unclean重启； UBIFS 通过replay 日志来恢复unclean unmount，在这种情况下replay会消耗一些时间，因此mount时间会稍微增加，但是replay过程并不会扫描整个flash介质，所以UBIFS的mount时间大概在几分之一秒。
快速I/O - 即使我们disable write-back（可以在unmount时使用-o sync mount选项）， UBIFS的性能仍然接近JFFS2; 记住，JFFS2的同步I/O是非常惊人的，因为JFFS2不需要在flash上维护indexing data结构， 所以就没有因此而带来的负担； 而UBIFS恰恰是有index数据的。 UBIFS之所以够快是因为UBIFS提交日志的方式：不是把数据从一个地方移动到另外一个位置，而只是把数据的地址加到文件系统的index，然后选择不同的eraseblock作为新的日志块，此外还有multi-headed日志方式等技巧。  
on-the_flight compression - 存储在flash介质上的数据是压缩的；同时也可以灵活的针对单个文件来打开关闭压缩； 例如，可能需要针对某个特定的文件打开压缩，或者可能缺省方式下支持压缩，但是对多媒体文件则关闭压缩。
可恢复性 - UBIFS可以从index破坏后恢复； UBIFS中的每一片信息都有一个header来描述，因此可以通过扫描这个flash介质来重构文件系统，这点和JFFS2非常类似；想像一下，如果你擦出了FAT文件系统的FAT表，那么对于FAT FS是致命的错误，但是如果擦除UBIFS的index,你人然可以重构文件系统，当然这需要一个特定的用户空间程序来做这个恢复  
完整性 - UBIFS通过写checksum到flash 介质上来保证数据的完整性，UBIFS不会无视损坏文件数据或meta-data； 缺省的情况，UBIFS仅仅检查meta-data的CRC，但是你可以通过mount选项，强制进行data CRC的检查
cramfs
Cramfs（Compressed ROM File System）是Linux的创始人 Linus Torvalds参与开发的一种只读的压缩文件系统，它也基于MTD驱动程序。在cramfs文件系统中，每一页(4KB)被单独压缩，可以随机页访问，其压缩比高达2:1,为嵌入式系统节省大量的Flash存储空间，使系统可通过更低容量的FLASH存储相同的文件，从而降低系统成本。
Cramfs文件系统以压缩方式存储，在运行时解压缩，所以不支持应用程序以XIP方式运行，所有的应用程序要求被拷到RAM里去运行，但这并不代表比Ramfs需求的RAM空间要大一点，因为Cramfs是采用分页压缩的方式存放档案，在读取档案时，不会一下子就耗用过多的内存空间，只针对目前实际读取的部分分配内存，尚没有读取的部分不分配内存空间，当我们读取的档案不在内存时，Cramfs文件系统自动计算压缩后的资料所存的位置，再即时 解压缩到RAM中。
另外，它的速度快，效率高，其只读的特点有利于保护文件系统免受破坏，提高了系统的可靠性。Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在别的文件系统里，使用loopback设备可以把它安装别的文件系统里。
由于以上特性，Cramfs在嵌入式系统中应用广泛。但是它的只读属性同时又是它的一大缺陷，使得用户无法对其内容对进扩充。
romfs
传统型的Romfs文件系统是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统，不支持动态擦写保存，按顺序存放数据，因而支持应用程序以 XIP(eXecute In Place，片内运行)方式运行，在系统运行时，节省RAM空间。uClinux系统通常采用Romfs文件系统。
其他文件系统
fat/fat32也可用于实际嵌入式系统的扩展存储器(例如PDA, Smartphone, 数码相机等的SD卡)，这主要是为了更好的与最流行的Windows桌面操作系统相兼容。ext2也可以作为嵌入式Linux的文件系统，不过将它用于FLASH闪存会有诸多弊端。