3.嵌入式Linux内核,文件系统

2009-9-1周朋朔[e-mail]1嵌入式Linux内核,文件系统周朋朔[e-mail]:139580704582009-9-1周朋朔[e-mail]2参考资料z电子工业出版社，杨水清等，ARM嵌入式Linux系统开发详解：Chap11,122009-9-1周朋朔[e-mail]3目录zLinux内核z文件系统z制作文件系统z实验2009-9-1周朋朔[e-mail]4Linux内核zLinux内核makefilezLinux内核配置zmakemenuconfigz内核编译zmakezImagez内核配置选项（见教材）z嵌入式开发中，Linux内核z裁剪z移植2009-9-1周朋朔[e-mail]5目录zLinux内核z文件系统z制作文件系统z实验2009-9-1周朋朔[e-mail]6嵌入式文件系统z嵌入式文件系统：zExt2/Ext3zRomfszRamdiskzCramfszJffs/jffs2zTmpfszYaffsz用户可以根据可靠性、健壮性和增强的功能的需求来选择文件系统的类型。2009-9-1周朋朔[e-mail]7z要求文件系统在频繁的文件操作（例如，新建，删除，截断）下能够保持较高的读写性能，要求低碎片化。zLinux下的日志文件系统（XFS,ReiserFS,Ext3等）能保持数据的完整性，但消耗过多系统资源使之不能成为嵌入式系统中的主流应用。并且这些都是专为硬盘类存储设备优化，对于flash这类的存储介质并不适用。z现有的嵌入式文件系统的碎片化的问题，大部分的嵌入式设备只给用户提供了只读文件系统，给用户带来不便。z嵌入式文件系统的载体是以Flash为主的存储介质，所以为了延长Flash的使用寿命，应该尽量减少对Flash的写入操作。z文件系统采用DirectI/O的话，使I/O效率明显降低，增加了写入次数；但采用延时写的话，虽然能够降低碎片问题，如果加入日志系统的话，有不能保证数据的安全性。这是一个矛盾。嵌入式Linux对文件系统的要求：2009-9-1周朋朔[e-mail]8z嵌入式Linux常见各种文件系统介绍z见附2009-9-1周朋朔[e-mail]9FlashzNorzNOR比较适合存储程序代码z容量一般较小2009-9-1周朋朔[e-mail]10NandFlashzNAND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。2009-9-1周朋朔[e-mail]11NandFlashz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；z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；z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；z各块的擦除次数有限，一般为10万~100万次；z使用复杂的I/O口串行存取数据2009-9-1周朋朔[e-mail]12Nandflash与Norflash比较2009-9-1周朋朔[e-mail]13flash的分区z相关文件zarch/arm/mach-s3c2410/mach-utu2440.c2009-9-1周朋朔[e-mail]14Yaffsz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。z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。zYAFFS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z兼顾损耗平均和系统开销2009-9-1周朋朔[e-mail]15YAFFS文件组织结构zYAFFS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，该页面被停止使用2009-9-1周朋朔[e-mail]16YAFFS物理数据组织zYAFFS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2009-9-1周朋朔[e-mail]17YAFFS擦除块和页面分配zYAFFS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2009-9-1周朋朔[e-mail]18YAFFS垃圾收集机制zYAFFS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2009-9-1周朋朔[e-mail]19cramfs文件系统zcramfs是一个压缩式的文件系统，它并不需要一次性地将文件系统中的所有内容都解压缩到内存之中，而只是在系统需要访问某个位置的数据的时侯，马上计算出该数据在cramfs中的位置，将其实时地解压缩到内存之中，然后通过对内存的访问来获取文件系统中需要读取的数据。cramfs中的解压缩以及解压缩之后的内存中数据存放位置都是由cramfs文件系统本身进行维护的，用户并不需要了解具体的实现过程2009-9-1周朋朔[e-mail]20cramfs的特点z采用实时解压缩方式，但解压缩的时侯有延迟。zcramfs的数据都是经过处理、打包的，对其进先写操作有一定困难。所以cramfs不支持写操作，这个特性刚好适合嵌入式应用中使用Flash存储文件系统的场合。z在cramfs中，文件最大不能超过16MB。z支持组标识(gid)，但是mkcramfs只将gid的低8位保存下来，因此只有这8位是有效的。z支持硬链接。但是cramfs并没有完全处理好，硬链接的文件属性中，链接数仍然为1.2009-9-1周朋朔[e-mail]21mkcramfs的特点IIzcramfs的目录中，没有“.”和“..”这两项。因此，cramfs中的目录的链接数通常也仅有一个。zcramfs中，不会保存文件的时间戳(timestamps)信息。当然，正在使用的文件由于inode保存在内存中，因此其时间可以暂时地变更为最新时间，但是不会保存到cramfs文件系统中去。z当前版本的cramfs只支持PAGE_CACHE_SIZE为4096的内核。因此，如果发现cramfs不能正常读写的时侯，可以检查一下内核的参数设置。2009-9-1周朋朔[e-mail]22使用cramfsz下载cramfs包z编译生成mkcramfs和cramfsck两个工具2009-9-1周朋朔[e-mail]23mkcramfs的命令格式zmkcramfs[-h][-eedition][-ifile][-nname]dirnameoutfilezmkcramfs的各个参数解释如下：z-h：显示帮助信息z-eedition：设置生成的文件系统中的版本号z-ifile：将一个文件映像插入这个文件系统之中(只能在Linux2.4.0以后的内核版本中使用)z-nname：设定cramfs文件系统的名字zdirname：指明需要被压缩的整个目录树zoutfile：最终输出的文件2009-9-1周朋朔[e-mail]24cramfsck的命令格式zcramfsck[-hv][-xdir]filezcramfsck的各个参数解释如下：z-h：显示帮助信息z-xdir：释放文件到dir所指出的目录中z-v：输出信息更加详细zfile：希望测试的目标文件2009-9-1周朋朔[e-mail]25jffs2文件系统zＪＦＦＳ文件系统是瑞典Ａｘｉｓ通信公司开发的一种基于Ｆｌａｓｈ的日志文件系统，它在设计时充分考虑了Ｆｌａｓｈ的读写特性和用电池供电的嵌入式系统的特点，在这类系统中必需确保在读取文件时，如果系统突然掉电，其文件的可靠性不受到影响。对ＲｅｄＨａｔ的ＤａｖｉｄＷｏｏｄｈｏｕｓｅ进行改进后，形成了ＪＦＦＳ２。主要改善了存取策略以提高ＦＬＡＳＨ的抗疲劳性，同时也优化了碎片整理性能，增加了数据压缩功能。需要注意的是，当文件系统已满或接近满时，ＪＦＦＳ２会大大放慢运行速度。这是因为垃圾收集的问题2009-9-1周朋朔[e-mail]26jffs2的使用zmkfs.jffs2zcat/proc/mtd查看分区情况z内核对jffs2的支持2009-9-1周朋朔[e-mail]27目录zLinux内核z文件系统z制作文件系统z实验2009-9-1周朋朔[e-mail]28制作文件系统-BusyboxzBusyboxzUnix工具集，提供常用GNU工具、shell脚本z模块化设计，可裁剪z仅需几百KB的空间即可运行，适合嵌入式系统z常用于实现根文件系统zBusybox用法zBusybox配置编译2009-9-1周朋朔[e-mail]29Cramfs、YAFFS、JFFSzCramfszmkcramfs制作根文件系统zmount–oloop–tcramfs******zBusybox制作cramfs作为只读根系统写入flashzYAFFS、JFFSz内核中添加对其支持zFlash擦除后，直接挂载访问z镜像文件烧写访问2009-9-1周朋朔[e-mail]30目录zLinux内核z文件系统z制作文件系统z实验2009-9-1周朋朔[e-mail]31实验z开发板上完成一下实验zBusybox配置，生成根文件系统zCramfs文件系统生成与使用zYaffs、jffs使用