uClinux下Nor Flash的JFFS2文件系統構建

uClinux下Nor Flash的JFFS2文件系統構建
作者：廣州新太科技股份公司 賈東耀 文章來源：國外電子元器件 點擊數：1359 更新時間：2004-12-14

摘要：目前的嵌入式系統多使用FLASH作爲主存，因此，如何有效管理FLASH上的數據非常重要。文章以SST39VF160芯片爲例，討論了在Nor Flash上建立ｕClinux的JFFS2文件系統的一般步驟，從而爲FLASH上的數據管理提供了理想的選擇方式。

嵌入式系統正隨着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的發展而在各個領域得到廣泛的應用，作爲嵌入式應用的核心，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，因此非常適於嵌入式系統的應用。而作爲專門運行於沒有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於１９８８年首先開發出ＮＯＲｆｌａｓｈ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 ＩｎＰｌａｃｅ　，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作爲根文件系統，它相對於一般的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。雖然對於需要動態保存的數據可以採用虛擬ｒａｍ盤的方法來保存，但當系統掉電後，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於Ｆｌａｓｈ的日誌文件系統，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ＤａｖｉｄＷｏｏｄｈｏｕｓｅ進行改進後，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。這是因爲垃圾收集的問題。

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 ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｉｃｅ內存技術設備）驅動實現的。相對於常規塊設備驅動程序，使用 ＭＴＤ 驅動程序的主要優點在於 ＭＴＤ驅動程序是專門爲基於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於扇區的擦除和讀寫操作的接口。ＭＴＤ相當於在硬件和上層之間提供了一個抽象的接口，可以把它理解爲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。經過簡單的配置後，ＭＴＤ在系統啓動以後可以自動識別支持ＣＦＩ或ＪＥＤＥＣ接口的ＦＬＡＳＨ芯片，並自動採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，一種是作爲根文件系統，另一種是作爲普通文件系統在系統啓動後被掛載。考慮到實際應用中需要動態保存的數據並不多，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（這是因爲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，通常選用後一種方式。根文件指的是Ｒｏｍｆｓ、ｖａｒ和／ｔｍｐ，目錄採用Ｒａｍｆｓ，當系統斷電後，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。對於本文來說，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芯片爲例來介紹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爲母板，ＣＰＵ爲ＡＲＭ７ＴＤＭＩ芯片Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ，１６Ｍ的ＳＤＲＡＭ，ＮｏｒＦｌａｓｈ爲ＳＳＴ３９ＶＦ１６０，容量爲１Ｍ×１６ｂｉｔ，速度爲７０ｎｓ，通過１６位數據總線與ＣＰＵ交換數據，擦寫次數典型值爲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，假設爲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，該區設爲我們要採用的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 ｍａｐｐｒｏｂｅ()檢測搜索ＭＴＤ設備。通常檢測方式有兩種：ｃｆｉ ｐｒｏｂｅ和ｊｅｄｅｃｐｒｏｂｅ，這裏採用後一種，該方法在ｊｅｄｅｃ＿ｐｒｏｂｅ．ｃ文件中定義。另外，ｊｅｄｅｃ ｐｒｏｂｅ．ｃ中定義了各種ｊｅｄｅｃｐｒｏｂｅ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

爲使內核支持ＪＦＦＳ２，需在內核配置選項菜單裏選擇相關選項。首先把ＳＳＴ３９ＶＦ１６０的ＭＴＤ驅動加入配置菜單。並在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主設備號爲３１，與ＢＬＫＭＥＭ的主設備號衝突，因此 修改＼ｍｔｄ＼ｍｔｄ．ｈ中 ＭＴＤ ＢＬＯＣＫ ＭＡＪＯＲ的值爲３０。

接着應添加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爲９０，次設備號爲０、２、４、６．．．（奇數次設備號爲只讀設備），塊設備的主設備號爲３１，次設備號爲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。

當系統啓動時，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，爲了使系統在啓動時自動掛載建好的ＪＦＦＳ２文件系統，在啓動腳本里應加入：

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

本文討論了在ｕＣｌｉｎｕｘ下建立基於ＮｏｒＦｌａｓｈ的ＪＦＦＳ２的文件系統的一般步驟。ＮｏｒＦｌａｓｈ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着廣泛的應用，因此ＪＦＦＳ２文件系統對Ｆｌａｓｈ上的數據管理非常方便。對於一些高端的掌上設備來說，ＮａｎｄＦｌａｓｈ更爲適合，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更適於Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ，本文不再予以討論。