如何在C51系統上實現YAFFS文件系統

隨著NAND Flash存儲器作為大容量數據存儲介質的普及，基于NAND閃存的文件系統YAFFS(Yet Another Flash File System)正逐漸被應用到各種嵌入式系統中。本文將詳細闡述YAFFS文件系統在C51系統上的實現過程。

1 NAND Flash的特點

　　非易失性閃速存儲器Flash具有速度快、成本低、密度大的特點，被廣泛應用于嵌入式系統中。Flash存儲器主要有NOR和NAND兩種類型。NOR型比較適合存儲程序代碼;NAND型則可用作大容量數據存儲。NAND閃存的存儲單元為塊和頁。本文使用的Samsung公司的K9F5608包括2 048塊，每一塊又包括32頁，一頁大小為528字節，依次分為2個256字節的數據區，最后是16字節的備用空間。

　　K9F5608具有以下特點： 以頁為單位進行讀/寫操作，而擦除操作以塊為單位，讀、寫和擦除操作均通過命令完成；不能字節擦除，在每次改寫操作之前需要先擦除一整塊；出廠時有一定比例的壞塊存在；每一塊的擦除次數有限，為10萬次左右[1]。

2 YAFFS文件系統簡介

　　YAFFS是第一個專門為NAND Flash存儲器設計的嵌入式文件系統，適用于大容量的存儲設備；并且是在GPL（General Public License）協議下發布的，可在其網站免費獲得源代碼。

　　YAFFS中，文件是以固定大小的數據塊進行存儲的，塊的大小可以是512字節、1 024字節或者2 048字節。這種實現依賴于它能夠將一個數據塊頭和每個數據塊關聯起來。每個文件（包括目錄）都有一個數據塊頭與之相對應，數據塊頭中保存了ECC(Error Correction Code)和文件系統的組織信息，用于錯誤檢測和壞塊處理。充分考慮了NAND Flash的特點，YAFFS把這個數據塊頭存儲在Flash的16字節備用空間中。當文件系統被掛載時，只須掃描存儲器的備用空間就能將文件系統信息讀入內存，并且駐留在內存中，不僅加快了文件系統的加載速度，也提高了文件的訪問速度，但是增加了內存的消耗。

　　為了在節省內存的同時提高文件數據塊的查找速度，YAFFS利用更高效的映射結構把文件位置映射到物理位置。文件的數據段被組織成樹型結構，這個樹型結構具有32字節的節點，每個內部節點都包括8個指向其他節點的指針，葉節點包括16個2字節的指向物理地址的指針。YAFFS在文件進行改寫時總是先寫入新的數據塊，然后將舊的數據塊從文件中刪除。這樣即使在修改文件時意外掉電，丟失的也只是這一次修改數據的最小寫入單位，從而實現了掉電保護，保證了數據完整性。

　　結合貪心算法的高效性和隨機選擇的平均性，YAFFS實現了兼顧損耗平均和減小系統開銷的目的。當滿足特定的小概率條件時，就會嘗試隨機選擇一個可回收的頁面；而在其他情況下，則使用貪心算法來回收最“臟”的塊[2]。

　　YAFFS文件系統是按層次結構設計的，分成以下4部分： yaffs_guts.c，文件系統的主要算法，這部分代碼完全是用可移植的C語言編寫的；yaffs_fs.c，Linux VFS層的接口；NAND 接口，yaffs_guts 和NAND 內存訪問函數之間的包裝層，例如調用Linux mtd 層或者RAM模擬層；可移植函數，服務的包裝函數。最重要的一點是，為了獲得更好的移植性，YAFFS提供直接調用的模式，這才使得我們有機會來實現YAFFS文件系統在C51系統上的移植。

3 移植過程

　　可在http://www.aleph1.co.uk/cgi-bin/viewcvs.cgi/獲得direct源碼，包括以下幾個文件及其頭文件。

　　◆ yaffscfg.c： 設置各種設備參數和系統參數。
　　◆ yaffsfs.c： 主要實現直接調用的接口函數，如打開文件、寫文件和關閉文件等。 使用時在應用程序中包含其頭文件即可。
　　◆ yaffs_flashif.c： NAND Flash操作函數接口，就是直接對存儲器操作的底層函數。為了測試，此文件中用RAMDISK模擬的方法實現了對Flash存儲器的操作。實際應用中，需要修改其中對Flash硬件操作函數的定義，包括yflash_EraseBlockInNAND()、yflash_WriteChunk?ToNAND()、yflash_ReadChunkFromNAND()和yflash_InitialiseNAND()。
　　◆ yaffs_guts.c： YAFFS文件系統的主要實現算法。
　　◆ nand_ecc.c:： ECC算法。
　　◆ yaffs_ramdisk.c:： RAMDISK支持代碼。
　　◆ yaffs_fileem.c： 用主機上的一個文件來模擬Flash存儲器，僅用于測試。
　　◆ dtest.c:： 直接調用文件系統的測試函數。

　　獲得源碼以后，移植的過程可以分為2步：① 根據自己的需要進行裁減;② 將代碼向C51風格轉化。

3.1 裁減

　　YAFFS是一個功能強大的文件系統，考慮到C51系統的程序代碼存儲器和RAM資源都很有限，而應用中可能不需要某些文件操作的功能，所以有必要對這個文件系統進行裁減。裁減包括代碼裁減和數據結構的修改。

　　首先，將用來測試的yaffs_ramdisk.c、yaffs_ramdisk.h、yaffs_fileem.c和interface.h這幾個文件去掉，并在yaffscfg.c加上#include yaffs_flashif.h。

　　本系統中，只是對K9F5608中的3個數據庫文件進行讀/寫，一級目錄足夠，單用戶不存在操作權限問題，簡單的文件存儲不涉及連接（Linux類操作系統文件間的關系）問題，所以可在系統中刪除與目錄操作、操作權限以及文件連接相關的操作函數。

　　在yaffsfs.c及其頭文件中包括（省略yaffs_前綴）： readlink(), DumpDir(), readdir(), opendir(), lstat(), stat(), freespace(), chmod(), mkdir(), rename()，link()， closedir(), FollowLink(), fstat(), listclear(), fchmod(),sylink()和mknod()。

　　在yaffs_guts.c及其頭文件中包括（省略yaffs_前綴）： Renameobject(), mknodedirectoty(), mknodSymLink(), mknodSpecial(), Link(), GetAttributes()， GetSymLinkAlias(), root(), LostNFound(), GutsTest(), DumpObject(), GetNumberofFreeChunk()， GetObjectLInkCount()和GetEquivalentObject()。

　　然后根據自己的需要進行數據結構修改，與上文提到的目錄操作、操作權限以及文件連接相關的數據結構（如Uid、Gid、nlink等）對我們來說就沒有意義了，因此需要修改相關的數據結構。為了節省內存，還要修改一些宏定義的數據常量，例如同時在運行的句柄數目和文件名的最大長度等。

　　裁減工作最好能在一臺裝有Linux操作系統的機器上進行，可以邊裁減，邊利用模擬方式來檢查是否能實現自己所需的功能。