嵌入式Linux文件系统详细介绍

Linux 支持多种文件系统，包括 ext2、
ext3、
vfat、
ntfs、
iso9660、
jffs、
romfs和nfs
等，为了对各类文件系统进行统一管理，Linux
引入了虚拟文件系统VFS(Virtual File System)
，为各类文件系统提供一个统一的操作界面和应用编程接口。本文将和大家详细介绍Linux文件系统相关知识，一起来看看吧。

Linux 下的文件系统结构如下：



Linux 启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。

　　不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据 存储 设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在嵌入式 Linux应用中，主要的
存储 设备为 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(
常采用FLASH
存储器)
，常用的基于存储设备的文件系统类型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

1. 基于 FLASH的文件系统

Flash ( 闪存 )作为嵌入式系统的主要存储媒介，有其自身的特性。
Flash 的写入操作只能把对应位置的 1修改为
0 ，而不能把
0 修改为
1( 擦除
Flash 就是把对应存储块的内容恢复为 1)，因此，一般情况下，向
Flash写入内容时，需要先擦除对应的存储区间，这种擦除是以块
(block)为单位进行的。

　　闪存主要有 NOR 和NAND
两种技术(
简单比较见附录)
。 Flash
存储器的擦写次数是有限的，NAND
闪存还有特殊的硬件接口和读写时序。因此，必须针对Flash
的硬件特性设计符合应用要求的文件系统；传统的文件系统如ext2
等，用作Flash
的文件系统会有诸多弊端。

　　在嵌入式 Linux
下， MTD(Memory Technology Device,
存储技术设备 )
为底层硬件 (闪存)
和上层(
文件系统)
之间提供一个统一的抽象接口，即Flash
的文件系统都是基于MTD
驱动层的(
参见上面的Linux
下的文件系统结构图)
。使用MTD
驱动程序的主要优点在于，它是专门针对各种非易失性存储器(
以闪存为主)
而设计的，因而它对Flash
有更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读/
写操作接口。

　　顺便一提，一块 Flash
芯片可以被划分为多个分区，各分区可以采用不同的文件系统；两块 Flash
芯片也可以合并为一个分区使用，采用一个文件系统。即文件系统是针对于存储器分区而言的，而非存储芯片。

(1) jffs2

JFFS 文件系统最早是由瑞典 Axis Communications公司基于
Linux2.0的内核为嵌入式系统开发的文件系统。
JFFS2是
RedHat公司基于
JFFS开发的闪存文件系统，最初是针对
RedHat公司的嵌入式产品
eCos开发的嵌入式文件系统，所以
JFFS2也可以用在
Linux, uCLinux中。

Jffs2: 日志闪存文件系统版本 2 (Journalling Flash FileSystem v2)

　　主要用于 NOR 型闪存，基于MTD
驱动层，特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃/
掉电安全 保护，提供 “写平衡
”支持等。缺点主要是当文件系统已满或接近满时，因为垃圾收集的关系而使jffs2
的运行速度大大放慢。

　　目前 jffs3 正在开发中。关于jffs
系列文件系统的使用详细文档，可参考MTD
补丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt
。

jffsx 不适合用于 NAND闪存主要是因为
NAND闪存的容量一般较大，这样导致
jffs为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大，另外，jffsx
文件系统在挂载时需要扫描整个FLASH
的内容，以找出所有的日志节点，建立文件结构，对于大容量的NAND闪存会耗费大量时间。

(2) yaffs ： Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2 是专为嵌入式系统使用 NAND型闪存而设计的一种日志型文件系统。与jffs2相比，它减少了一些功能
(例如不支持数据压缩
)，所以速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。另外，它还是跨平台的文件系统，除了
Linux 和
eCos ，还支持
WinCE, pSOS 和ThreadX
等。

yaffs/yaffs2 自带 NAND芯片的驱动，并且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与
VFS，直接对文件系统操作。当然，
yaffs也可与MTD
驱动程序配合使用。

yaffs 与 yaffs2的主要区别在于，前者仅支持小页
(512 Bytes) NAND闪存，后者则可支持大页
(2KB) NAND闪存。同时，
yaffs2在内存空间占用、垃圾回收速度、读
/写速度等方面均有大幅提升。

(3) Cramfs ： Compressed ROM File System

Cramfs 是 Linux的创始人
Linus Torvalds参与开发的一种只读的压缩文件系统。它也基于
MTD驱动程序。

　　在 cramfs 文件系统中，每一页(4KB)
被单独压缩，可以随机页访问，其压缩比高达2:1,为嵌入式系统节省大量的
Flash存储空间，使系统可通过更低容量的
FLASH存储相同的文件，从而降低系统成本。

Cramfs 文件系统以压缩方式存储，在运行时解压缩，所以不支持应用程序以 XIP方式运行，所有的应用程序要求被拷到
RAM里去运行，但这并不代表比
Ramfs需求的RAM空间要大一点，因为
Cramfs是采用分页压缩的方式存放档案，在读取档案时，不会一下子就耗用过多的内存空间，只针对目前实际读取的部分分配内存，尚没有读取的部分不分配内存空间，当我们读取的档案不在内存时，Cramfs
文件系统自动计算压缩后的资料所存的位置，再即时解压缩到RAM
中。

　　另外，它的速度快，效率高，其只读的特点有利于保护文件系统免受破坏，提高了系统的可靠性。

　　由于以上特性， Cramfs
在嵌入式系统中应用广泛。

　　但是它的只读属性同时又是它的一大缺陷，使得用户无法对其内容对进扩充。

Cramfs 映像通常是放在 Flash中，但是也能放在别的文件系统里，使用
loopback设备可以把它安装别的文件系统里。

(4) Romfs

　　传统型的 Romfs
文件系统是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统，不支持动态擦写保存，按顺序存放数据，因而支持应用程序以 XIP(eXecute In Place，片内运行
)方式运行，在系统运行时，节省
RAM空间。
uClinux 系统通常采用 Romfs
文件系统。

　　其他文件系统： fat/fat32
也可用于实际嵌入式系统的扩展存储器 ( 例如PDA, Smartphone,
数码相机等的SD
卡)
，这主要是为了更好的与最流行的Windows 桌面操作系统相兼容。 ext2也可以作为嵌入式
Linux的文件系统，不过将它用于
FLASH闪存会有诸多弊端。

2. 基于 RAM
的文件系统

(1) Ramdisk

Ramdisk 是将一部分固定大小的内存当作分区来使用。它并非一个实际的文件系统，而是一种将实际的文件系统装入内存的机制，并且可以作为根文件系统。将一些经常被访问而又不会更改的文件(
如只读的根文件系统)
通过Ramdisk
放在内存中，可以明显地提高系统的性能。

　　在 Linux 的启动阶段，initrd
提供了一套机制，可以将内核映像和根文件系统一起载入内存。

(2)ramfs/tmpfs

Ramfs 是 Linus Torvalds开发的一种基于内存的文件系统，工作于虚拟文件系统
(VFS)层，不能格式化，可以创建多个，在创建时可以指定其最大能使用的内存大小。
(实际上，VFS
本质上可看成一种内存文件系统，它统一了文件在内核中的表示方式，并对磁盘文件系统进行缓冲。)

Ramfs/tmpfs 文件系统把所有的文件都放在 RAM中，所以读
/写操作发生在
RAM中，可以用ramfs/tmpfs
来存储一些临时性或经常要修改的数据，例如/tmp
和/var
目录，这样既避免了对Flash
存储器的读写损耗，也提高了数据读写速度。

Ramfs/tmpfs 相对于传统的 Ramdisk的不同之处主要在于：不能格式化，文件系统大小可随所含文件内容大小变化。

Tmpfs 的一个缺点是当系统重新引导时会丢失所有数据。

3. 网络文件系统 NFS (Network File System)

NFS 是由 Sun开发并发展起来的一项在不同机器、不同操作系统之间通过网络共享文件的技术。在嵌入式
Linux 系统的开发调试阶段，可以利用该技术在主机上建立基于NFS的根文件系统，挂载到嵌入式设备，可以很方便地修改根文件系统的内容。

　　以上讨论的都是基于存储设备的文件系统 (memory-based file system)，它们都可用作
Linux的根文件系统。实际上，
Linux还支持逻辑的或伪文件系统
(logical or pseudo file system)，例如
procfs(proc文件系统
)，用于获取系统信息，以及
devfs(设备文件系统
)和
sysfs，用于维护设备文件。

　　附录： NOR 闪存与NAND
闪存比较



 

文章来源：ChinaUnix博客