一種可靠高效的閃存文件系統(tǒng)

王 江

（上海貝爾股份有限公司N＆P，上海201206）

引 言

支持閃存的文件系統(tǒng)多種多樣，常見的有JFFS、YAFFS、TrueFFS等，它們各有所長，但卻都不適合管理系統(tǒng)啟動時的配置文件和軟件。為此，筆者開發(fā)了一款可靠高效的文件系統(tǒng)——EFFS（Efficient Flash File System，高效閃存文件系統(tǒng)）。

1 文件系統(tǒng)的特點

因為這款文件系統(tǒng)的首要服務(wù)對象是系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)啟動要求快速而穩(wěn)定，所以它的文件系統(tǒng)必須具有以下特點：

①快速。啟動速度快無疑會給用戶留下美好的印象，所以初始化文件系統(tǒng)、搜索和讀取文件應(yīng)該盡可能快速。

②可靠?？煽啃泽w現(xiàn)在三個方面。首先，目錄和文件的完整性——通過校驗碼來保證；其次，文件的冗余性，如果一個文件被破壞或者加載失敗，自動后退加載同一功能的另一個文件，不影響系統(tǒng)的啟動；最后，記錄文件和目錄的信息表有備份，破壞后能夠自動恢復(fù)。

這是一款以扇區(qū)為基礎(chǔ)的文件系統(tǒng)，層次結(jié)構(gòu)如圖1［1]所示，閃存驅(qū)動層屏蔽了閃存芯片的具體信息，例如閃存種類、緩存大小、分區(qū)大小。因為文件系統(tǒng)必須支持各種類型的閃存，所以該層的一個重要特性是可以識別多種閃存芯片。扇區(qū)管理層負責(zé)物理扇區(qū)和邏輯扇區(qū)的映射，實現(xiàn)壞塊管理和磨損均衡。API層提供了豐富的接口給外部應(yīng)用，可使文件系統(tǒng)內(nèi)部改變，而不致影響外部應(yīng)用接口。OS（操作系統(tǒng)）在啟動階段時指啟動程序，例如BIOS、Bootloader，啟動完成后指應(yīng)用所依賴的Linux、WinCE等操作系統(tǒng)。

圖1 文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

2 文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

整個文件系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2（a）所示，共分為5個區(qū)域：3個目錄（目錄0～目錄2）、2個文件系統(tǒng)信息表。這2個文件系統(tǒng)信息表互為備份，默認使用信息表0。如果信息表0損壞，則使用信息表1，同時把信息表1的數(shù)據(jù)復(fù)制到信息表0，即修復(fù)信息表0。每個文件信息表占用閃存的若干個扇區(qū)。其存放位置由用戶自定義，一般位于閃存的末尾。

每個目錄由目錄信息表、文件和空閑區(qū)域組成。目錄信息表中存放了目錄和文件的屬性，其組織格式如表1所列。信息表的頭部是目錄屬性，定義了目錄名稱、版本、創(chuàng)建日期、長度、空余空間、校驗和等，緊接著目錄屬性，是每個文件的屬性。目錄中有幾個文件，就有幾個文件屬性的表項。

文件屬性定義了文件名稱、版本、校驗和、在目錄中的偏移地址、長度等。因為有些文件可以執(zhí)行，例如故障診斷軟件和操作系統(tǒng)，所以文件屬性中包含了一項入口地址，對于不可執(zhí)行文件，這一項設(shè)置為0。為了節(jié)省閃存空間，目前文件系統(tǒng)支持兩種壓縮格式：gzip和bz2，即文件可以壓縮后存放在閃存中，同時在“文件壓縮類型”記錄對應(yīng)的壓縮格式。當(dāng)文件被讀取時，根據(jù)“文件壓縮類型”選擇適合的解壓縮算法。

圖2 文件系統(tǒng)架構(gòu)

表1 目錄信息表格式

物理上的3個目錄在邏輯上分別被定義為當(dāng)前（C）、先前（P）和原始（O）3個目錄。目錄0在硬件上設(shè)置為寫保護，所以原始目錄一般指向目錄0，該目錄中在出廠時存放一個最保險的、能夠讓系統(tǒng)穩(wěn)定運行的軟件版本。該設(shè)計可以使得其他2個目錄都損壞時，系統(tǒng)仍然有一個基本的能正常啟動的軟件備份。當(dāng)前目錄指向目錄2還是目錄1、先前目錄指向目錄2還是目錄1允許用戶自定義。對于每種類型的文件，在文件系統(tǒng)信息表中均有選擇開關(guān)，指示下次啟動加載哪個目錄中的文件。所以文件系統(tǒng)信息表的組織如表2所列，主要定義了3個目錄在閃存中的地址、物理目錄和邏輯目錄的對應(yīng)關(guān)系、各個文件選擇的目錄和實際加載成功的目錄等。

表2 文件系統(tǒng)信息表格式

2.1 文件的選擇

當(dāng)文件系統(tǒng)被加載，即文件系統(tǒng)初始化時，程序?qū)⑹紫葯z查文件系統(tǒng)信息表的完整性，然后根據(jù)信息表，檢查各個目錄的完整性，這些檢查結(jié)果都會記錄在內(nèi)存的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。如果今后文件系統(tǒng)沒有改變，就可以直接使用內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，無需再次檢查，提高了系統(tǒng)性能。

接著，啟動程序會根據(jù)文件系統(tǒng)信息表中的設(shè)置將文件加載到相應(yīng)的器件中。文件是根據(jù)邏輯目錄來進行選擇的。如果文件選擇的目錄為當(dāng)前目錄，則先在當(dāng)前目錄中查找該文件，如果文件不存在、損壞或者加載失敗，則從先前目錄中查找。如果先前目錄中的文件也不存在、損壞或加載失敗，則從原始目錄加載，原始目錄中的文件肯定是存在的，因為它們是寫保護并且在出廠時就燒錄好的。

如果文件選擇的目錄為先前目錄，則從先前目錄中查找，如果文件不存在、損壞或者加載失敗，則加載原始目錄中的文件。如果文件選擇的目錄為原始目錄，則直接從原始目錄中查找和加載。文件的選擇如圖3所示。所以在使用時，一般將待測的最新版本的軟件存放在當(dāng)前目錄，而將測試通過的軟件存放在先前目錄，而文件選擇開關(guān)通常設(shè)置為當(dāng)前目錄，這樣可以充分利用3個目錄逐級備份的冗余特性，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖3 文件的選擇

每個文件加載成功后，系統(tǒng)將在文件系統(tǒng)信息表中記錄加載成功的目錄，用戶可以根據(jù)這個信息，結(jié)合“文件選擇目錄”信息，判斷出所選擇文件是否運行成功。

2.2 運行軟件的選擇

啟動程序?qū)⑴渲梦募虞d到NPU、DSP、FPGA等器件之后，最后的使命是根據(jù)文件系統(tǒng)信息表中“操作系統(tǒng)文件”選項加載軟件，該軟件可以是故障診斷程序、Linux或VxWorks等操作系統(tǒng)。這個特征允許同一硬件平臺支持安裝和運行不同的操作系統(tǒng)。

2.3 相關(guān)的用戶命令

與文件系統(tǒng)密切配合的是簡潔實用的用戶命令，詳見表3，它們方便了用戶查看、增減目錄和文件，選擇啟動軟件等。

表3 文件系統(tǒng)命令列表

命令主要分為三類：一是與目錄操作相關(guān)的，包括查看目錄屬性、創(chuàng)建目錄、刪除目錄、升級目錄和目錄碎片整理；二是與文件操作相關(guān)的，包括查看文件屬性、新增文件、刪除文件、升級文件；三是其他操作命令，包括設(shè)置系統(tǒng)運行的軟件、指定文件首選的目錄、建立邏輯目錄和物理目錄之間的關(guān)系，例如選擇哪個目錄為當(dāng)前目錄，哪個目錄為先前目錄。

其中新增文件命令較為復(fù)雜。如果有壓縮要求，它首先對文件進行壓縮，然后根據(jù)壓縮后的文件大小在目錄中搜尋空余空間，如果沒有找到，則調(diào)用目錄碎片整理程序整理碎片，將分散的不連續(xù)小尺寸的碎片組合成連續(xù)的大尺寸空間，整理完成后再次搜尋。找到空間后調(diào)用閃存驅(qū)動將文件寫入，接著計算校驗和，更新目錄信息表中的文件數(shù)目，同時寫入文件偏移地址、長度和其他文件屬性。值得注意的是，在多內(nèi)核或多任務(wù)操作系統(tǒng)中，目錄空余空間的搜尋代碼需要用互斥鎖保護起來，否則當(dāng)一個任務(wù)正在搜尋空余空間時，被中斷或被另一個優(yōu)先級更高的任務(wù)所搶占，后者恰巧也調(diào)用了搜尋空余空間的函數(shù)，則可能導(dǎo)致兩個任務(wù)都得到了相同地址的空余空間，導(dǎo)致操作失敗或者目錄損壞。其他需要互斥鎖保護的還有目錄中文件數(shù)目選項的更新等。

當(dāng)多次在同一目錄中執(zhí)行增加和刪除文件操作后，目錄中可能出現(xiàn)不連續(xù)的空余空間，即碎片，系統(tǒng)將碎片整理程序作為一個低優(yōu)先級的任務(wù)或線程在后臺運行，一旦處理器有空閑，則對目錄碎片進行整理，有效提高了下一次寫入文件操作的速度。

3 與其他文件系統(tǒng)的比較

JFFS／JFFS2和YAFFS／YAFFS2是業(yè)界應(yīng)用較廣的閃存文件系統(tǒng)，針對系統(tǒng)啟動，加載智能芯片的配置文件方面的應(yīng)用，與EFFS相比稍遜一籌。表4列舉了3種閃存文件系統(tǒng)在幾個關(guān)鍵指標(biāo)上的對比。

表4 文件系統(tǒng)性能比較

由表可見，在閃存類型方面，JFFS2［2]和YAFFS2［3]各有偏愛，而EFFS都能適用。在文件系統(tǒng)的加載速度上，EFFS處于微秒級水平，且于閃存容量無關(guān)，遠快于其他2種文件系統(tǒng)，后者比較慢且與閃存容量成正比。在可靠性方面，EFFS能夠在加載一個文件失敗后，自動尋找并加載同類型的文件，JFFS2和YAFFS2卻無能為力。

結(jié) 語

本文提出了一種適合系統(tǒng)啟動閃存使用的文件系統(tǒng)。這種文件系統(tǒng)不僅加載速度快，而且可靠性高，易于移植和擴展。經(jīng)過測試，其性能并且占用內(nèi)存少，完全能夠幫助用戶實現(xiàn)對智能芯片文件的高效管理并滿足系統(tǒng)的啟動要求。

［1] Numonyx Inc.閃存文件系統(tǒng)概況，2008.

［2] IBM Inc.JFFS2文件系統(tǒng)及新特性介紹，2005.

［3] How Yaffs works［OL] .（2012－06）［2013－06] .http：／／www.yaffs.net／documents／how－yaffs－works.