uClinux下Nor Flash的JFFS2文件系統構建

關鍵詞：ｕClinux；Nor Flash；MTD；JFFS2；文件系統

嵌入式系統正隨著Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的發展而在各個領域得到廣泛的應用，作為嵌入式應用的核心，嵌入式Ｌｉｎｕｘ以其自由軟件特性正日益被人們看好。Ｌｉｎｕｘ具有內核小、效率高、源代碼開放等優點，還內涵了完整的ＴＣＰ／ＩＰ網絡協議，因此非常適于嵌入式系統的應用。而作為專門運行于沒有ＭＭＵ的微處理器的嵌入式操作系統，ｕＣｌｉｎｕｘ更是得到廣泛應用。

當前的嵌入式系統開發，需要方便靈活的使用Ｆｌａｓｈ。ＮＯＲ和ＮＡＮＤ是現在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Ｉｎｔｅｌ于１９８８年首先開發出ＮＯＲ ｆｌａｓｈ技術，徹底改變了原先由ＥＰＲＯＭ和ＥＥＰＲＯＭ一統天下的局面。ＮＯＲ的特點是芯片內執行?ＸＩＰ? ｅＸｅ-ｃｕｔｅ Ｉｎ Ｐｌａｃｅ?，這樣應用程序可以直接在ｆｌａｓｈ閃存內運行，不必再把代碼讀到系統ＲＡＭ中。ＮＯＲ的傳輸效率很高，在１～４ＭＢ的小容量時具有很高的成本效益，因此在嵌入式系統得到廣泛的應用。

１ ＪＦＦＳ２文件系統簡介

ｕＣｌｉｎｕｘ通常默認ＲＯＭＦＳ作為根文件系統，它相對于一般的ＥＸＴ２文件系統具有節約空間的優點。但是ＲＯＭＦＳ是一種只讀的文件系統，不支持動態擦寫保存。雖然對于需要動態保存的數據可以采用虛擬ｒａｍ盤的方法來保存，但當系統掉電后，ｒａｍ盤的內容將全部丟失，而不能永久保存，因此需要實現一個可讀寫的文件系統。ＪＦＦＳ２文件系統便是一個很好的選擇。

ＪＦＦＳ文件系統是瑞典Ａｘｉｓ通信公司開發的一種基于Ｆｌａｓｈ的日志文件系統，它在設計時充分考慮了Ｆｌａｓｈ的讀寫特性和用電池供電的嵌入式系統的特點，在這類系統中必需確保在讀取文件時，如果系統突然掉電，其文件的可靠性不受到影響。對Ｒｅｄ Ｈａｔ的Ｄａｖｉｄ Ｗｏｏｄｈｏｕｓｅ進行改進后，形成了ＪＦＦＳ２。主要改善了存取策略以提高ＦＬＡＳＨ的抗疲勞性，同時也優化了碎片整理性能，增加了數據壓縮功能。需要注意的是，當文件系統已滿或接近滿時，ＪＦＦＳ２會大大放慢運行速度。這是因為垃圾收集的問題。

ＪＦＦＳ２的底層驅動主要完成文件系統對Ｆｌａｓｈ芯片的訪問控制，如讀、寫、擦除操作。在Ｌｉｎｕｘ中這部分功能是通過調用ＭＴＤ（ｍｅｍｏｒｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｉｃｅ內存技術設備）驅動實現的。相對于常規塊設備驅動程序，使用 ＭＴＤ 驅動程序的主要優點在于 ＭＴＤ 驅動程序是專門為基于閃存的設備所設計的，所以它們通常有更好的支持、更好的管理和更好的基于扇區的擦除和讀寫操作的接口。ＭＴＤ相當于在硬件和上層之間提供了一個抽象的接口，可以把它理解為ＦＬＡＳＨ的設備驅動程序，它主要向上提供兩個接口：ＭＴＤ字符設備和ＭＴＤ塊設備。通過這兩個接口，就可以象讀寫普通文件一樣對ＦＬＡＳＨ設備進行讀寫操作。經過簡單的配置后，ＭＴＤ在系統啟動以后可以自動識別支持ＣＦＩ或ＪＥＤＥＣ接口的ＦＬＡＳＨ芯片，并自動采用適當的命令參數對ＦＬＡＳＨ進行讀寫或擦除。

ＪＦＦＳ２在ｕＣｌｉｎｕｘ中有兩種使用方式，一種是作為根文件系統，另一種是作為普通文件系統在系統啟動后被掛載。考慮到實際應用中需要動態保存的數據并不多，且在Ｌｉｎｕｘ系統目錄樹中，根目錄和／ｕｓｒ等目錄主要是讀操作，只有少量的寫操作，但是大量的讀寫操作又發生在／ｖａｒ和／ｔｍｐ目錄（這是因為在系統運行過程中產生大量ｌｏｇ文件和臨時文件都放在這兩個目錄中），因此，通常選用后一種方式。根文件指的是Ｒｏｍｆｓ、ｖａｒ和／ｔｍｐ，目錄采用Ｒａｍｆｓ，當系統斷電后，該目錄所有的數據都會丟失。

綜上所述，通常在ｕＣｌｉｎｕｘ下采用的文件系統構成如圖１所示。對于本文來說，圖中Ｒｏｍｆｓ和Ｒａｍｆｓ兩個文件系統的實現是很方便的，主要需要實現的是Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ的底層ＭＴＤ驅動，下面就以ＳＳＴ３９ＶＦ１６０芯片為例來介紹ＭＴＤ的驅動設計方法。

２　ＪＦＦＳ２底層ＭＴＤ驅動設計

本文采用的系統以三星公司的ＳＮＤ－１００為母板，ＣＰＵ為ＡＲＭ７ＴＤＭＩ芯片Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ，１６Ｍ的ＳＤＲＡＭ，Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ為ＳＳＴ３９ＶＦ１６０，容量為１Ｍ１６ｂｉｔ，速度為７０ｎｓ，通過１６位數據總線與ＣＰＵ交換數據，擦寫次數典型值為１０萬次。

在＼ｌｉｎｕｘ－２．４．ｘ＼ｄｒｉｖｅｒｓ＼ｍｔｄ＼ｍａｐｓ目錄下，每一個文件都是一個具體的ＭＴＤ原始設備的相關信息，包括該ＭＴＤ原始設備的起始物理地址、大小、分區情況、讀寫函數、初始化和清除程序。設計時，需要對ＳＳＴ３９ＶＦ１６０編寫相關的程序，假設為Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ．Ｃ。則需要進行以下幾點操作：

(１) 定義ＳＳＴ３９ＶＦ１６０在系統中的起始地址、大小、總線寬度

＃ｄｅｆｉｎｅ ＷＩＮＤＯ ＤＤＲ ０ｘ１００００００｜０ｘ０４００００００ ／／注意ＦＬＡＳＨ分區地址必須是ｎｏｎ－ｃａｃｈｅｂｌｅ

＃ｄｅｆｉｎｅ ＷＩＮＤＯＷ ＳＩＺＥ ０ｘ２０００００

＃ｄｅｆｉｎｅ ＢＵＳＷＩＤＴＨ ２

(２) 定義ＳＳＴ３９ＶＦ１６０分區

典型的內存分區應包括：內核引導區、Ｌｉｎｕｘ內核區、應用區。其中內核引導區用來保存內核加載程序，Ｌｉｎｕｘ內核區存放的是經過壓縮的ｕＣｌｉｎｕｘ內核，應用區則用來保存用戶的數據和應用程序，該區設為我們要采用的ＪＦＦＳ２文件系統。具體如下：

ｓｔａｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔ ｍｔｄ_ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｓ３ｃ４５１０_ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ[]＝{

{

ｎａｍｅ: ″ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ(１２８Ｋ)″,

ｓｉｚｅ: ０ｘ２００００,

ｏｆｆｓｅｔ: ０ｘ００００,

ｍａｓｋ_ｆｌａｇｓ:ＭＴＤ_ＷＲＩＴＥＡＢＬＥ ／／設置成只讀區域

},

{

ｎａｍｅ: ″ｕＣｌｉｎｕｘ_ｋｅｒｎｅｌ(８３２Ｋ)″,

ｓｉｚｅ: ０ｘｄ００００,

ｏｆｆｓｅｔ: ０ｘ２００００,

},?

{

ｎａｍｅ: ″ｊｆｆｓ２ (１０８８Ｋ)?″,

ｓｉｚｅ: ０ｘ１１００００,

ｏｆｆｓｅｔ: ０ｘｆ００００

}

};?

(３) 定義ＳＳＴ３９ＶＦ１６０字節、半字、字的讀寫操作函數。

(４) 初始化ＳＳＴ３９ＶＦ１６０函數ｉｎｔ_ｉｎｉｔ ｉｎｉｔ_ｓ３ｃ４５１０ｂ()。

該操作主要包括兩個方面：第一是調用ｄｏ ｍａｐ ｐｒｏｂｅ()檢測搜索ＭＴＤ設備。通常檢測方式有兩種：ｃｆｉ ｐｒｏｂｅ和ｊｅｄｅｃ ｐｒｏｂｅ，這里采用后一種，該方法在ｊｅｄｅｃ＿ｐｒｏｂｅ．ｃ文件中定義。另外，ｊｅｄｅｃ ｐｒｏｂｅ．ｃ中定義了各種ｊｅｄｅｃ ｐｒｏｂｅ類型芯片的信息，有些ｌｉｎｕｘ版本沒有包含ＳＳＴ３９ＶＦ１６０，需要手動添加；而操作的第二方面則是調用ａｄｄ_ｍｔｄ_ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ()以將ｙｏｕｒ_ｐａｒｔｉｔｏｎ的各個分區加入ｍｔｄ_ｔａｂｌｅ。

３　內核相關配置的設定

３．１ 內核配置文件設置

為使內核支持ＪＦＦＳ２，需在內核配置選項菜單里選擇相關選項。首先把ＳＳＴ３９ＶＦ１６０的ＭＴＤ驅動加入配置菜單。并在ｍｔｄ／ｍａｐｓ／Ｃｏｎｆｉｇ．ｉｎ文件中加入如下程序：

ｉｆ[″＄ＣＯＮＦＩＧ ＡＲＭ″＝ ″ｙ″]; ｔｈｅｎ

ｄｅｐ_ｔｒｉｓｔａｔｅ′ＣＦＩ Ｆｌａｓｈ ｄｅｖｉｃｅ ｍａｐｐｅｄ ｏｎ Ｓａｍｓｕｎｇ Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ′ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ ＄ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_ＣＦＩ

相應＼ｍｔｄ＼ｍａｐｓ＼Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件加入

ｏｂｊ_＄(ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ)＋＝ｓ３ｃ４５１０ｂ．ｏ

其次選擇Ｍｅｎｕｃｏｎｆｉｇ下的配置選項。

在ｌｉｎｕｘ Ｋｅｒｎｅｌ ｖ２．４．２０－ｕｃ０ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ下

Ｍｅｍｏｒｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ?ＭＴＤ?下

ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ＝Ｙ

ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_ＤＥＢＵＧ＝Ｙ

ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_ＤＥＢＵＧ_ＶＥＲＢＯＳＥ＝３

ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_ＰＡＲＴＩＴＩＯＮＳ＝Ｙ

ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_ＣＨＡＲ＝Ｙ

ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_ＢＬＯＣＫ＝Ｙ

ＲＡＭ／ＲＯＭ／Ｆｌａｓｈ ｃｈｉｐ ｄｒｉｖｅｒｓ下

ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_ＣＦＩ＝Ｙ

ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_ＪＥＤＥＣＰＲＯＢＥ＝Ｙ

ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_ＣＦＩ_ＡＭＤＳＴＤ＝Ｙ

Ｍａｐｐｉｎｇ ｄｒｉｖｅｒｓ ｆｏｒ ｃｈｉｐ ａｃｃｅｓｓ下

ＣＯＮＦＩＧ_Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ＝Ｙ

Ｆｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍｓ下

ＣＯＮＦＩＧ_ＪＦＦＳ２_ＦＳ＝Ｙ

ＣＯＮＦＩＧ_ＪＦＦＳ２_ＦＳ_ＤＥＢＵＧ＝２

在ｕＣｌｉｎｕｘ ｖ１．３．４ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ下

Ｆｌａｓｈ Ｔｏｏｌｓ下

ＣＯＮＦＩＧ_ＵＳＥＲ_ＭＴＤＵＴＩＬＳ＝Ｙ

ＣＯＮＦＩＧ_ＵＳＥＲ_ＭＴＤＵＴＩＬＳ_ＥＲＡＳＥ＝Ｙ

ＣＯＮＦＩＧ_ＵＳＥＲ_ＭＴＤＵＴＩＬＳ_ＥＲＡＳＥＡＬＬ＝Ｙ

ＣＯＮＦＩＧ_ＵＳＥＲ ＭＴＤＵＴＩＬＳ_ＭＫＦＳＪＦＦＳ２＝Ｙ

ＢｕｓｙＢｏｘ下選中ｃａｔ,ｃｐ,ｄｄ, ｍｏｕｎｔ,ｕｍｏｕｎｔ,ｍｋｄｉｒ工具。

３．２ ＭＴＤ塊設備配置

下面是修改系統塊設備的主設備號。默認情況下，ＭＴＤＢＬＯＣＫ主設備號為３１，與ＢＬＫＭＥＭ的主設備號沖突，因此 修改＼ｍｔｄ＼ｍｔｄ．ｈ中 ＭＴＤ ＢＬＯＣＫ ＭＡＪＯＲ的值為３０。

接著應添加ＭＴＤ設備節點到／ｖｅｎｄｅｒ／－－你所使用的目標機類型－－／Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件中。其中字符設備的主設備號為９０，次設備號為０、２、４、６．．．（奇數次設備號為只讀設備），塊設備的主設備號為３１，次設備號為０、１、２、３。可按以下方式增加ＤＥＶＩＣＥＳ目標：

ｍｔｄ０,ｃ,９０,０ ｍｔｄ１,ｃ,９０,１ ｍｔｄ２,ｃ,９０,２

ｍｔｄｂｌｏｃｋ０,ｂ,３０,０ ｍｔｄｂｌｏｃｋ１,ｂ,３０,１ ｍｔｄ-ｂｌｏｃｋ２,ｂ,３０,２

做完以上步驟，可以運行內核編譯命令ｍａｋｅ ｄｅｐ, ｍａｋｅ 以對內核進行編譯。

當系統啟動時，可以看到以下信息：

ｓ３ｃ４５１０ｂ ｆｌａｓｈ ｄｅｖｉｃｅ: ２０００００ ａｔ ５００００００

Ｆｏｕｎｄ: ＳＳＴ ＳＳＴ３９ＶＦ１６０

ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ＪＥＤＥＣ ｃｈｉｐｓ: １

Ｃｒｅａｔｉｎｇ ３ ＭＴＤ ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ″Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ ｆｌａｓｈ ｄｅ-ｖｉｃｅ″:

０ｘ００００００００－０ｘ０００２００００: ″ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ(１２８Ｋ)″

ｍｔｄ:Ｇｉｖｉｎｇ ｏｕｔ ｄｅｖｉｃｅ ０ ｔｏ ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ(１２８Ｋ)

０ｘ０００２００００－０ｘ００ｆ００００:″ｕＣｌｉｎｕｘ_ｋｅｒｎｅｌ(８３２Ｋ)″

ｍｔｄ: Ｇｉｖｉｎｇ ｏｕｔ ｄｅｖｉｃｅ １ ｔｏ ｕＣｌｉｎｕｘ_ｋｅｒｎｅｌ(８３２Ｋ)

０ｘ００ｆ００００－０ｘ００２０００００:″ｊｆｆｓ２_ｕｓｒ(１０８８Ｋ)″

ｍｔｄ: Ｇｉｖｉｎｇ ｏｕｔ ｄｅｖｉｃｅ ２ ｔｏ ｊｆｆｓ２_ｕｓｒ(１０８８Ｋ)

ｉｎｉｔ_ｍｔｄｃｈａｒ: ａｌｌｏｃａｔｅｄ ｍａｊｏｒ ｎｕｍｂｅｒ ９０．

ｉｎｉｔ_ｍｔｄｂｌｏｃｋ: ａｌｌｏｃａｔｅｄ ｍａｊｏｒ ｎｕｍｂｅｒ ３１．

……

３．３ 創建文件系統鏡像文件

系統會編譯生成ＪＦＦＳ２的輔助工具：ｍｋｆｓ．ｊｆｆｓ２、ｅｒａｓｅａｌｌ、ｅｒａｓｅ。其中ｍｋｆｓ．ｊｆｆｓ２會產生ＪＦＦＳ２文件系統鏡像的工具，ｅｒａｓｅａｌｌ和ｅｒａｓｅ用來對ＦＬＡＳＨ芯片的擦除。ｍｋｆｓ．ｊｆｆｓ的使用方法如下：ｍｋｆｓ．ｊｆｆｓ －ｄ根目錄?－ｂ｜ ｌ??－ｅ 擦除塊大小??－ｏ 輸出文件??－ｖ ?０－９???－ｑ?。

另外，為了使系統在啟動時自動掛載建好的ＪＦＦＳ２文件系統，在啟動腳本里應加入：

ｍｏｕｎｔ －ｔ ｊｆｆｓ２ ／ｄｅｖ／ｍｔｄｂｌｏｃｋ２ ／ｍｎｔ４　結束語

本文討論了在ｕＣｌｉｎｕｘ下建立基于Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ的ＪＦＦＳ２的文件系統的一般步驟。Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ的特性決定了它在對數據存儲要求不高的嵌入式系統中有著廣泛的應用，因此ＪＦＦＳ２文件系統對Ｆｌａｓｈ上的數據管理非常方便。對于一些高端的掌上設備來說，Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ更為適合，其單元存儲密度比較高，成本較低，這樣系統可以在不增加成本的情況下擴大存儲容量。目前有一種新型的文件系統ＹＡＦＦＳ更適于Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ，本文不再予以討論。