uClinux下Nor Flash的JFFS2文件系统构建
关键词：ｕClinux；Nor Flash；MTD；JFFS2；文件系统
嵌入式系统正随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的发展而在各个领域得到广泛的应用，作为嵌入式应用的核心，嵌入式Ｌｉｎｕｘ以其自由软件特性正日益被人们看好。Ｌｉｎｕｘ具有内核小、效率高、源代码开放等优点，还内涵了完整的ＴＣＰ／ＩＰ网络协议，因此非常适于嵌入式系统的应用。而作为专门运行于没有ＭＭＵ的微处理器的嵌入式操作系统，ｕＣｌｉｎｕｘ更是得到广泛应用。
当前的嵌入式系统开发，需要方便灵活的使用Ｆｌａｓｈ。ＮＯＲ和ＮＡＮＤ是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Ｉｎｔｅｌ于１９８８年首先开发出ＮＯＲ ｆｌａｓｈ技术，彻底改变了原先由ＥＰＲＯＭ和ＥＥＰＲＯＭ一统天下的局面。ＮＯＲ的特点是芯片内执行?ＸＩＰ? ｅＸｅ-ｃｕｔｅ Ｉｎ Ｐｌａｃｅ?，这样应用程序可以直接在ｆｌａｓｈ闪存内运行，不必再把代码读到系统ＲＡＭ中。ＮＯＲ的传输效率很高，在１～４ＭＢ的小容量时具有很高的成本效益，因此在嵌入式系统得到广泛的应用。
１ ＪＦＦＳ２文件系统简介
ｕＣｌｉｎｕｘ通常默认ＲＯＭＦＳ作为根文件系统，它相对于一般的ＥＸＴ２文件系统具有节约空间的优点。但是ＲＯＭＦＳ是一种只读的文件系统，不支持动态擦写保存。虽然对于需要动态保存的数据可以采用虚拟ｒａｍ盘的方法来保存，但当系统掉电后，ｒａｍ盘的内容将全部丢失，而不能永久保存，因此需要实现一个可读写的文件系统。ＪＦＦＳ２文件系统便是一个很好的选择。
ＪＦＦＳ文件系统是瑞典Ａｘｉｓ通信公司开发的一种基于Ｆｌａｓｈ的日志文件系统，它在设计时充分考虑了Ｆｌａｓｈ的读写特性和用电池供电的嵌入式系统的特点，在这类系统中必需确保在读取文件时，如果系统突然掉电，其文件的可靠性不受到影响。对Ｒｅｄ Ｈａｔ的Ｄａｖｉｄ Ｗｏｏｄｈｏｕｓｅ进行改进后，形成了ＪＦＦＳ２。主要改善了存取策略以提高ＦＬＡＳＨ的抗疲劳性，同时也优化了碎片整理性能，增加了数据压缩功能。需要注意的是，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。
ＪＦＦＳ２的底层驱动主要完成文件系统对Ｆｌａｓｈ芯片的访问控制，如读、写、擦除操作。在Ｌｉｎｕｘ中这部分功能是通过调用ＭＴＤ（ｍｅｍｏｒｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｉｃｅ内存技术设备）驱动实现的。相对于常规块设备驱动程序，使用 ＭＴＤ 驱动程序的主要优点在于 ＭＴＤ 驱动程序是专门为基于闪存的设备所设计的，所以它们通常有更好的支持、更好的管理和更好的基于扇区的擦除和读写操作的接口。ＭＴＤ相当于在硬件和上层之间提供了一个抽象的接口，可以把它理解为ＦＬＡＳＨ的设备驱动程序，它主要向上提供两个接口：ＭＴＤ字符设备和ＭＴＤ块设备。通过这两个接口，就可以象读写普通文件一样对ＦＬＡＳＨ设备进行读写操作。经过简单的配置后，ＭＴＤ在系统启动以后可以自动识别支持ＣＦＩ或ＪＥＤＥＣ接口的ＦＬＡＳＨ芯片，并自动采用适当的命令参数对ＦＬＡＳＨ进行读写或擦除。
ＪＦＦＳ２在ｕＣｌｉｎｕｘ中有两种使用方式，一种是作为根文件系统，另一种是作为普通文件系统在系统启动后被挂载。考虑到实际应用中需要动态保存的数据并不多，且在Ｌｉｎｕｘ系统目录树中，根目录和／ｕｓｒ等目录主要是读操作，只有少量的写操作，但是大量的读写操作又发生在／ｖａｒ和／ｔｍｐ目录（这是因为在系统运行过程中产生大量ｌｏｇ文件和临时文件都放在这两个目录中），因此，通常选用后一种方式。根文件指的是Ｒｏｍｆｓ、ｖａｒ和／ｔｍｐ，目录采用Ｒａｍｆｓ，当系统断电后，该目录所有的数据都会丢失。
综上所述，通常在ｕＣｌｉｎｕｘ下采用的文件系统构成如图１所示。对于本文来说，图中Ｒｏｍｆｓ和Ｒａｍｆｓ两个文件系统的实现是很方便的，主要需要实现的是Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ的底层ＭＴＤ驱动，下面就以ＳＳＴ３９ＶＦ１６０芯片为例来介绍ＭＴＤ的驱动设计方法。
２ ＪＦＦＳ２底层ＭＴＤ驱动设计
本文采用的系统以三星公司的ＳＮＤ－１００为母板，ＣＰＵ为ＡＲＭ７ＴＤＭＩ芯片Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ，１６Ｍ的ＳＤＲＡＭ，Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ为ＳＳＴ３９ＶＦ１６０，容量为１Ｍ×１６ｂｉｔ，速度为７０ｎｓ，通过１６位数据总线与ＣＰＵ交换数据，擦写次数典型值为１０万次。
在＼ｌｉｎｕｘ－２．４．ｘ＼ｄｒｉｖｅｒｓ＼ｍｔｄ＼ｍａｐｓ目录下，每一个文件都是一个具体的ＭＴＤ原始设备的相关信息，包括该ＭＴＤ原始设备的起始物理地址、大小、分区情况、读写函数、初始化和清除程序。设计时，需要对ＳＳＴ３９ＶＦ１６０编写相关的程序，假设为Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ．Ｃ。则需要进行以下几点操作：
(１) 定义ＳＳＴ３９ＶＦ１６０在系统中的起始地址、大小、总线宽度
＃ｄｅｆｉｎｅ ＷＩＮＤＯ ＤＤＲ ０ｘ１００００００｜０ｘ０４００００００ ／／注意ＦＬＡＳＨ分区地址必须是ｎｏｎ－ｃａｃｈｅｂｌｅ
＃ｄｅｆｉｎｅ ＷＩＮＤＯＷ ＳＩＺＥ ０ｘ２０００００
＃ｄｅｆｉｎｅ ＢＵＳＷＩＤＴＨ ２
(２) 定义ＳＳＴ３９ＶＦ１６０分区
典型的内存分区应包括：内核引导区、Ｌｉｎｕｘ内核区、应用区。其中内核引导区用来保存内核加载程序，Ｌｉｎｕｘ内核区存放的是经过压缩的ｕＣｌｉｎｕｘ内核，应用区则用来保存用户的数据和应用程序，该区设为我们要采用的ＪＦＦＳ２文件系统。具体如下：
ｓｔａｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔ ｍｔｄ_ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｓ３ｃ４５１０_ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ[]＝{
{
ｎａｍｅ: ″ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ(１２８Ｋ)″,
ｓｉｚｅ: ０ｘ２００００,
ｏｆｆｓｅｔ: ０ｘ００００,
ｍａｓｋ_ｆｌａｇｓ:ＭＴＤ_ＷＲＩＴＥＡＢＬＥ ／／设置成只读区域
},
{
ｎａｍｅ: ″ｕＣｌｉｎｕｘ_ｋｅｒｎｅｌ(８３２Ｋ)″,
ｓｉｚｅ: ０ｘｄ００００,
ｏｆｆｓｅｔ: ０ｘ２００００,
},?
{
ｎａｍｅ: ″ｊｆｆｓ２ (１０８８Ｋ)?″,
ｓｉｚｅ: ０ｘ１１００００,
ｏｆｆｓｅｔ: ０ｘｆ００００
}
};?
(３) 定义ＳＳＴ３９ＶＦ１６０字节、半字、字的读写操作函数。
(４) 初始化ＳＳＴ３９ＶＦ１６０函数ｉｎｔ_ｉｎｉｔ ｉｎｉｔ_ｓ３ｃ４５１０ｂ()。
该操作主要包括两个方面：第一是调用ｄｏ ｍａｐ ｐｒｏｂｅ()检测搜索ＭＴＤ设备。通常检测方式有两种：ｃｆｉ ｐｒｏｂｅ和ｊｅｄｅｃ ｐｒｏｂｅ，这里采用后一种，该方法在ｊｅｄｅｃ＿ｐｒｏｂｅ．ｃ文件中定义。另外，ｊｅｄｅｃ ｐｒｏｂｅ．ｃ中定义了各种ｊｅｄｅｃ ｐｒｏｂｅ类型芯片的信息，有些ｌｉｎｕｘ版本没有包含ＳＳＴ３９ＶＦ１６０，需要手动添加；而操作的第二方面则是调用ａｄｄ_ｍｔｄ_ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ()以将ｙｏｕｒ_ｐａｒｔｉｔｏｎ的各个分区加入ｍｔｄ_ｔａｂｌｅ。
３ 内核相关配置的设定
３．１ 内核配置文件设置
为使内核支持ＪＦＦＳ２，需在内核配置选项菜单里选择相关选项。首先把ＳＳＴ３９ＶＦ１６０的ＭＴＤ驱动加入配置菜单。并在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
相应＼ｍｔｄ＼ｍａｐｓ＼Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件加入
ｏｂｊ_＄(ＣＯＮＦＩＧ_ＭＴＤ_Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ)＋＝ｓ３ｃ４５１０ｂ．ｏ
其次选择Ｍｅｎｕｃｏｎｆｉｇ下的配置选项。
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下选中ｃａｔ,ｃｐ,ｄｄ, ｍｏｕｎｔ,ｕｍｏｕｎｔ,ｍｋｄｉｒ工具。
３．２ ＭＴＤ块设备配置
下面是修改系统块设备的主设备号。默认情况下，ＭＴＤＢＬＯＣＫ主设备号为３１，与ＢＬＫＭＥＭ的主设备号冲突，因此 修改＼ｍｔｄ＼ｍｔｄ．ｈ中 ＭＴＤ ＢＬＯＣＫ ＭＡＪＯＲ的值为３０。
接着应添加ＭＴＤ设备节点到／ｖｅｎｄｅｒ／－－你所使用的目标机类型－－／Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件中。其中字符设备的主设备号为９０，次设备号为０、２、４、６．．．（奇数次设备号为只读设备），块设备的主设备号为３１，次设备号为０、１、２、３。可按以下方式增加ＤＥＶＩＣＥＳ目标：
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
做完以上步骤，可以运行内核编译命令ｍａｋｅ ｄｅｐ, ｍａｋｅ 以对内核进行编译。
当系统启动时，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 创建文件系统镜像文件
系统会编译生成ＪＦＦＳ２的辅助工具：ｍｋｆｓ．ｊｆｆｓ２、ｅｒａｓｅａｌｌ、ｅｒａｓｅ。其中ｍｋｆｓ．ｊｆｆｓ２会产生ＪＦＦＳ２文件系统镜像的工具，ｅｒａｓｅａｌｌ和ｅｒａｓｅ用来对ＦＬＡＳＨ芯片的擦除。ｍｋｆｓ．ｊｆｆｓ的使用方法如下：ｍｋｆｓ．ｊｆｆｓ －ｄ根目录?－ｂ｜ ｌ??－ｅ 擦除块大小??－ｏ 输出文件??－ｖ ?０－９???－ｑ?。
另外，为了使系统在启动时自动挂载建好的ＪＦＦＳ２文件系统，在启动脚本里应加入：
ｍｏｕｎｔ －ｔ ｊｆｆｓ２ ／ｄｅｖ／ｍｔｄｂｌｏｃｋ２ ／ｍｎｔ４ 结束语
本文讨论了在ｕＣｌｉｎｕｘ下建立基于Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ的ＪＦＦＳ２的文件系统的一般步骤。Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ的特性决定了它在对数据存储要求不高的嵌入式系统中有着广泛的应用，因此ＪＦＦＳ２文件系统对Ｆｌａｓｈ上的数据管理非常方便。对于一些高端的掌上设备来说，Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ更为适合，其单元存储密度比较高，成本较低，这样系统可以在不增加成本的情况下扩大存储容量。目前有一种新型的文件系统ＹＡＦＦＳ更适于Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ，本文不再予以讨论。
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