隨着嵌入式技術在各種電子產品中的廣泛應用，嵌入式系統中的數據存儲和管理已經成爲一個重要的研究課題。Flash存儲器具有速度快、容量大、成本低等很多優點，因此在嵌入式系統中被廣泛用做外存儲器件。Flash主要有NOR和NAND兩種類型。目前，針對NOR Flash設計的文件系統JFFS/JFFS2在嵌入式系統中已得到廣泛的應用；隨着NAND作爲大容量存儲介質的普及，基於NAND閃存的文件系統YAFFS(Yet Another Flash File System)正逐漸被應用到嵌入式系統中。
NAND閃存介紹
NOR 和NAND是現在市場上兩種主要的非易失性閃存技術。NOR比較適合存儲程序代碼，其容量一般小於16MB；NAND則是高密度數據存儲的理想解決方案，其容量可達1GB以上。NAND閃存的存儲單元爲頁和塊。一般來說，128MB以下容量芯片的一頁大小爲528字節，依次分爲2個256字節的主數據區，最後是16字節的備用空間；一個塊由若干頁組成，通常爲32頁；一個存儲設備又由若干塊組成。與其他存儲器相比，NAND閃存具有以下特點：不是完全可靠的，每塊芯片出廠時都有一定比例的壞塊存在；各個存儲單元是不可直接改寫的，在每次改寫操作之前需要先擦除；擦除操作以塊爲單位進行，而讀寫操作通常以頁爲單位進行；各塊的擦除次數有限，一般爲10萬~100萬次；使用複雜的I/O口串行存取數據。
YAFFS文件系統簡介
YAFFS類似於JFFS/JFFS2，是專門爲NAND閃存設計的嵌入式文件系統，適用於大容量的存儲設備。它是日誌結構的文件系統，提供了損耗平衡和掉電保護，可以有效地避免意外掉電對文件系統一致性和完整性的影響。YAFFS文件系統是按層次結構設計的，分爲文件系統管理層接口、YAFFS內部實現層和NAND接口層，這樣就簡化了其與系統的接口設計，可以方便地集成到系統中去。與JFFS相比，它減少了一些功能，因此速度更快，佔用內存更少。
YAFFS充分考慮了NAND閃存的特點，根據NAND閃存以頁面爲單位存取的特點，將文件組織成固定大小的數據段。利用NAND閃存提供的每個頁面16字節的備用空間來存放ECC(Error Correction Code)和文件系統的組織信息，不僅能夠實現錯誤檢測和壞塊處理，也能夠提高文件系統的加載速度。YAFFS採用一種多策略混合的垃圾回收算法，結合了貪心策略的高效性和隨機選擇的平均性，達到了兼顧損耗平均和系統開銷的目的。
YAFFS文件組織結構
YAFFS將文件組織成固定大小(512字節)的數據段。每個文件都有一個頁面專門存放文件頭，文件頭保存了文件的模式、所有者id、組id、長度、文件名等信息。爲了提高文件數據塊的查找速度，文件的數據段被組織成樹形結構。YAFFS在文件進行改寫時總是先寫入新的數據塊，然後將舊的數據塊從文件中刪除。YAFFS使用存放在頁面備用空間中的ECC進行錯誤檢測，出現錯誤後會進行一定次數的重試，多次重試失敗後，該頁面就被停止使用。
YAFFS物理數據組織
YAFFS充分利用了NAND閃存提供的每個頁面16字節的備用空間，參考了SmartMedia的設定，備用空間中6個字節被用作頁面數據的ECC，2個字節分別用作塊狀態字和數據狀態字，其餘的8字節(64位)用來存放文件系統的組織信息，即元數據。由於文件系統的基本組織信息保存在頁面的備份空間中，因此，在文件系統加載時只需要掃描各個頁面的備份空間，即可建立起整個文件系統的結構，而不需要像JFFS 那樣掃描整個介質，從而大大加快了文件系統的加載速度。
YAFFS擦除塊和頁面分配
YAFFS中用數據結構來描述每個擦除塊的狀態。該數據結構記錄了塊狀態，並用一個32位的位圖表示塊內各個頁面的使用情況。在YAFFS中，有且僅有一個塊處於“當前分配”狀態。新頁面從當前進行分配的塊中順序進行分配，若當前塊已滿，則順序尋找下一個空閒塊。
YAFFS垃圾收集機制
YAFFS使用一種多策略混合的算法來進行垃圾回收，將貪心策略和隨機選擇策略按一定比例混合使用：當滿足特定的小概率條件時，垃圾回收器會試圖隨機選擇一個可回收的頁面；而在其他情況下，則使用貪心策略回收最“髒”的塊。通過使用多策略混合的方法，YAFFS能夠有效地改善貪心策略造成的不平均；通過不同的混合比例，則可以控制損耗平均和系統開銷之間的平衡。考慮到NAND的擦除很快(和NOR相比可忽略不計)，YAFFS將垃圾收集的檢查放在寫入新頁面時進行，而不是採用JFFS那樣的後臺線程方式，從而簡化了設計。
YAFFS實現開發環境簡介
本文采用的是宿主機＋目標板的開發模式。宿主機爲PC+REDHAT9.0,目標板爲三星公司的S3C2410＋嵌入式Linux，版本爲2.6.11.12。NAND閃存是三星公司64MB的K9F5608U0C。YAFFS的源碼可以從網站下載。
YAFFS移植：
1)在內核中建立YAFFS目錄fs/yaffs，並把下載的YAFFS代碼複製到該目錄下面。
2)修改fs/Kconfig，使得可以配置YAFFS。
3)修改fs/makefile，添加如下內容：obj-$(CONFIG_YAFFS_FS) += yaffs/
4)在生成的YAFFS目錄中生成Makefile 和Kconfig文件。
5)修改NAND分區。此分區要結合vivi裏的分區進行設置，如下：
6)配置內核時選中MTD支持和YAFFS支持。
7)編譯內核並將內核下載到開發板的Flash中。
YAFFS文件系統測試：
1)內核啓動之後，啓動信息中應該含有如下內容：
2)如果在內核裏面添加了proc文件系統的支持，那麼proc中應該包含有關YAFFS的信息。
3)dev目錄下的相關目錄中包括有關NAND設備的信息。
4)建立mount目錄
將文件拷貝到mount上的目錄下後，umount設備，再次mount後可以發現拷貝的文件仍然存在。這時刪除該文件，然後umount，再次mount後可以發現拷貝的文件已經被刪除，由此可見該分區可以正常讀寫。
5)在Flash上建立根文件系統：
重新啓動，並改變啓動參數：param set linux_cmd_line "noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0"再次重新啓動後，開發板就可以從Flash啓動根文件系統了。
結語
YAFFS是專門爲NAND閃存設計的,它的出現使得價格低廉的NAND閃存芯片具有了高效性和健壯性。YAFFS文件系統性能優越且易於移植，已經成功應用於Linux、Clinux和Windows CE等嵌入式操作系統上。現在，每頁大小爲2Kb的新型超大容量NAND閃存已經出現，針對這種Flash的文件系統YAFFS2正處於研究和應用當中。可以預見，基於NAND閃存的文件系統YAFFS/ YAFFS2將會應用於更多的嵌入式系統。
作者:毛勇強 黃光明 更新日期:2006-03-30
來源:華中師範大學物理學院 瀏覽次數: