嵌入式文件系统

1．Ext2fs 文件系统
Ext2fs 是 Linux 事实上的标准文件系统，它已经取代了它的前任 — 扩展文件系统
（或 Extfs）。Extfs 支持的文件大小最大为 2 GB，支持的最大文件名称大小为 255 个字
符 — 而且它不支持索引节点（包括数据修改时间标记）。Ext2fs 做得更好，它的优点是：
(1) Ext2fs 支持达 4 TB 的内存。
(2) Ext2fs 文件名称最长可以到 1012 个字符。
(3) 当创建文件系统时，管理员可以选择逻辑块的大小（通常大小可选择 1024、2048
和 4096 字节）。
(4) Ext2fs 了实现快速符号链接：不需要为此目的而分配数据块，并且将目标名称
直
接存储在索引节点（inode）表中。这使性能有所提高，特别是在速度上。
因为 Ext2 文件系统的稳定性、可靠性和健壮性，所以几乎在所有基于 Linux 的系统
（包括台式机、服务器和工作站 — 并且甚至一些嵌入式设备）上都使用 Ext2 文件系统。
然而，当在嵌入式设备中使用 Ext2fs 时，它有一些缺点：
(1) Ext2fs 是为象 IDE 设备那样的块设备设计的，这些设备的逻辑块大小是 512 字
节，1 K 字节等这样的倍数。这不太适合于扇区大小因设备不同而不同的闪存设备。
(2) Ext2 文件系统没有提供对基于扇区的擦除／写操作的良好管理。在 Ext2fs 中，
为了在一个扇区中擦除单个字节，必须将整个扇区复制到 RAM，然后擦除，然后重
写入。考虑到闪存设备具有有限的擦除寿命（大约能进行 100,000 次擦除），在此
之后就不能使用它们，所以这不是一个特别好的方法。
(3) 在出现电源故障时，Ext2fs 不是防崩溃的。
Ext2 文件系统不支持损耗平衡，因此缩短了扇区／闪存的寿命。（损耗平衡确保将
地址范围的不同区域轮流用于写和／或擦除操作以延长闪存设备的寿命。）
Ext2fs 没有特别完美的扇区管理，这使设计块驱动程序十分困难。
由于这些原因，通常相对于 Ext2fs，在嵌入式环境中使用 MTD/JFFS2 组合是更好的
选择。
用 Ramdisk 挂装 Ext2fs:
通过使用 Ramdisk 的概念，可以在嵌入式设备中创建并挂装 Ext2 文件系统（以及用
于这一目的的任何文件系统）。
创建一个简单的基于 Ext2fs 的 Ramdisk：
mke2fs -vm0 /dev/ram 4096
mount -t ext2 /dev/ram /mnt
cd /mnt
cp /bin, /sbin, /etc, /dev ... files in mnt
cd ../

umount /mnt

/dd if=/dev/ram bs=1k count=4096 of=ext2ramdisk
mke2fs 是用于在任何设备上创建 ext2 文件系统的实用程序 — 它创建超级块、索引
节点以及索引节点表等等。
在上面的用法中，/dev/ram 是上面构建有 4096 个块的 ext2 文件系统的设备。然后，
将这个设备（/dev/ram）挂装在名为 /mnt 的临时目录上并且复制所有必需的文件。一旦
复制完这些文件，就卸装这个文件系统并且设备（/dev/ram）的内容被转储到一个文件
（ext2ramdisk）中，它就是所需的 Ramdisk（Ext2 文件系统）。
上面的顺序创建了一个 4 MB 的 Ramdisk，并用必需的文件实用程序来填充它。
一些要包含在 Ramdisk 中的重要目录是：
/bin — 保存大多数象 init、busybox、shell、文件管理实用程序等二进制文件。
/dev — 包含用在设备中的所有设备节点
/etc — 包含系统的所有配置文件
/lib — 包含所有必需的库，如 libc、libdl 等

2． 日志闪存文件系统JFFS2
瑞典的 Axis Communications 开发了最初的 JFFS，Red Hat 的 David Woodhouse 对
它进行了改进。 第二个版本，JFFS2，作为用于微型嵌入式设备的原始闪存芯片的实际文
件系统而出现。JFFS2 文件系统是日志结构化的，这意味着它基本上是一长列节点。每个
节点包含有关文件的部分信息 — 可能是文件的名称、也许是一些数据。相对于 Ext2fs，
JFFS2 因为有以下这些优点而在无盘嵌入式设备中越来越受欢迎：
(1) JFFS2 在扇区级别上执行闪存擦除／写／读操作要比 Ext2 文件系统好。
(2) JFFS2 提供了比 Ext2fs 更好的崩溃／掉电安全保护。当需要更改少量数据时，Ext2
文件系统将整个扇区复制到内存（DRAM）中，在内存中合并新数据，并写回整个扇区。这
意味着为了更改单个字，必须对整个扇区（64 KB）执行读／擦除／写例程 — 这样做的效
率非常低。要是运气差，当正在 DRAM 中合并数据时，发生了电源故障或其它事故，那么
将丢失整个数据集合，因为在将数据读入 DRAM 后就擦除了闪存扇区。JFFS2 附加文件而
不是重写整个扇区，并且具有崩溃／掉电安全保护这一功能。
这可能是最重要的一点：JFFS2 是专门为象闪存芯片那样的嵌入式设备创建的，所以
它的整个设计提供了更好的闪存管理。
因为本文主要是写关于闪存设备的使用，所以在嵌入式环境中使用 JFFS2 的缺点很
少：
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。

3. YAFFS 文件系统
YAFFS，Yet Another Flash File System，是一种类似于JFFS/JFFS2 的专门为Flash
设计的嵌入式文件系统。与JFFS 相比，它减少了一些功能，因此速度更快、占用内存更少。
YAFFS 和JFFS 都提供了写均衡，垃圾收集等底层操作。它们的不同之处在于：

（1）、JFFS 是一种日志文件系统，通过日志机制保证文件系统的稳定性。YAFFS 仅仅借鉴的空间(以解压缩之后的形式存在)，这违背了嵌入式环境下尽量节省资源的要求。

（2）、JFFS 中使用多级链表管理需要回收的脏块，并且使用系统生成伪随机变量决定要回
收的块，通过这种方法能提供较好的写均衡，在YAFFS 中是从头到尾对块搜索，所以在垃
圾收集上JFFS 的速度慢，但是能延长NAND 的寿命。
（3）、JFFS 支持文件压缩，适合存储容量较小的系统；YAFFS 不支持压缩，更适合存储容
量大的系统。
YAFFS 还带有NAND 芯片驱动，并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 和VFS，直接对文件进行操作。NAND Flash 大多采用MTD+YAFFS
的模式。MTD（ Memory Technology Devices，内存技术设备）是对Flash 操作的接口，提
供了一系列的标准函数，将硬件驱动设计和系统程序设计分开。

4. tmpfs
当 Linux 运行于嵌入式设备上时，该设备就成为功能齐全的单元，许多守护进程会在
后台运行并生成许多日志消息。另外，所有内核日志记录机制，象 syslogd、dmesg 和
klogd，会在 /var 和 /tmp 目录下生成许多消息。由于这些进程产生了大量数据，所以允
许将所有这些写操作都发生在闪存是不可取的。由于在重新引导时这些消息不需要持久存
储，所以这个问题的解决方案是使用 tmpfs。
tmpfs 是基于内存的文件系统，它主要用于减少对系统的不必要的闪存写操作这一唯
一目的。因为 tmpfs 驻留在 RAM 中，所以写／读／擦除的操作发生在 RAM 中而不是在闪
存中。因此，日志消息写入 RAM 而不是闪存中，在重新引导时不会保留它们。tmpfs 还使
用磁盘交换空间来存储，并且当为存储文件而请求页面时，使用虚拟内存（VM）子系统。
tmpfs 的优点包括：
(1) 动态文件系统大小 — 文件系统大小可以根据被复制、创建或删除的文件或目录的数
量来缩放。使得能够最理想地使用内存。
(2) 速度 — 因为 tmpfs 驻留在 RAM，所以读和写几乎都是瞬时的。即使以交换的形式存
储文件，I/O 操作的速度仍非常快。
tmpfs 的一个缺点是当系统重新引导时会丢失所有数据。因此，重要的数据不能存储
在 tmpfs 上。

5. cramfs 的特点
在嵌入式的环境之下，内存和外存资源都需要节约使用。如果使用RAMDISK 方式来使
用文件系统，那么在系统运行之后，首先要把外存(Flash)上的映像文件解压缩到内存中，
构造起RAMDISK 环境，才可以开始运行程序。但是它也有很致命的弱点。在正常情况下，
同样的代码不仅在外存中占据了空间(以压缩后的形式存在)使用cramfs 就是一种解决这个问题的方式。cramfs 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，因此这种方式增强了透明度，对开发人员来说，既方便，又节省了存
储空间。
cramfs 拥有以下一些特性：
1) 采用实时解压缩方式，但解压缩的时侯有延迟。
2) cramfs 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。
3) 在cramfs 中，文件最大不能超过16MB。
4) 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。
5)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.
6) cramfs 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。
cramfs 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。
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。
使用cramfs
可以从http://sourceforge.net/projects/cramfs/下载cramfs-1.1.tar.gz。然后执
行
tar zxvf cramfs-1.1.tar.gz
进入解包之后生成cramfs-1.1 目录，执行编译命令：
Make
编译完成之后，会生成mkcramfs 和cramfsck 两个工具，其中cramfsck 工具是用来创
建cramfs 文件系统的，而mkcramfs 工具则用来进行cramfs 文件系统的释放以及检查。
下面是mkcramfs 的命令格式：
mkcramfs [-h] [-e edition] [-i file] [-n name] dirname outfile
mkcramfs 的各个参数解释如下：
-h：显示帮助信息
-e edition：设置生成的文件系统中的版本号
-i file：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)
了日志系统的思想，不提供日志机能，所以稳定性不如JAFFS，但是资源占用少。

-n name：设定cramfs 文件系统的名字
dirname：指明需要被压缩的整个目录树
outfile：最终输出的文件
cramfsck 的命令格式：
cramfsck [-hv] [-x dir] file
cramfsck 的各个参数解释如下：
-h：显示帮助信息
-x dir：释放文件到dir 所指出的目录中
-v：输出信息更加详细
file：希望测试的目标文件