JFFS是由瑞典的Axis Communications Ab公司開發(fā)的(1999,以GNU發(fā)布),針對flash設備的特性為嵌入式設備開發(fā)的

JFFS1和JFFS2的設計中都考慮到了FLASH的特性特別是滿足了上述3個條件,包括了垃圾回收,壞塊管理等功能. 這兩種文件系統(tǒng)屬于LFS(Log-structured File System).這種文件系統(tǒng)的特點是一旦數(shù)據(jù)出錯,容易恢復,但是系統(tǒng)運行是需要占用一定的內(nèi)存空間,這些空間就是用來存儲”log”的.

JFFS的缺點就是加載時間太長,因為每次加載都需要將FLASH上的所有節(jié)點(JFFS的存儲單位)到內(nèi)存,這樣也占用了可觀的內(nèi)存空間.除此之外,”circle log”設計使得在對文件數(shù)據(jù)進行所有的數(shù)據(jù)都會被重寫,這樣造成不必要的時間,同時也會減少FLASH的壽命.

JFFS2對JFFS1作了些改進,比如所需的內(nèi)存變少了,垃圾回收機制也優(yōu)化了.

針對JFFS1,JFFS2的缺點,JFFS3出現(xiàn)了.

YAFFS1 & YAFFS2

“Yet Another Flash File System”作者是新西蘭的Charles Manning為一家名叫Alpha one 的公司(http://www.aleph1.co.uk/)設計的,是第一個為NAND Flash設計的文件系統(tǒng).共兩個版本YAFFS1 和YAFFS2.

YAFFS1支持512Bytes/Page的NAND Flash;后者YAFFS2支持2kBytes/Page的NAND Flash. YAFFS文件系統(tǒng)也屬于LFS.

跟其他文件系統(tǒng)比較,它具有更好的可移植性,甚至可以使用在沒有操作系統(tǒng)的設備上(called “YAFFS/Direct”). YAFFS采用模塊化設計,雖然最初是用在linux系統(tǒng)上的,但是也已經(jīng)移植到其他系統(tǒng)比如wince.

還有個突出的優(yōu)點是它在mount的時候需要很少的內(nèi)存.(如果是小頁―512byte/page,每1MByte NAND大約需要4KBytes內(nèi)存;大頁需要大概1KBytes RAM/1MByte NAND)

JFFS與YAFFS比較,兩者各有長處. 一般來說,對于小于64MBytes的NAND Flash,可以選用JFFS;如果超過64MBytes,用YAFFS比較合適.

由于嵌入式系統(tǒng)自身存在一些特殊要求，使得一些傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)(如FAT、EXT2等) 并不十分適合。專用的嵌入式文件系統(tǒng)應有一些自身的特性，如文件系統(tǒng)面對的儲存介質(zhì)特殊性、文件系統(tǒng)應具有的跨平臺的安全性，以及整個系統(tǒng)的即時性等。本文介紹了3種源碼開放的嵌入式文件系統(tǒng)Cramfs、JFFS2、YAFFS2，詳細分析比較了這3種文件系統(tǒng)的主要性能，并根據(jù)分析結(jié)果指出了各自的適用領(lǐng)域。

Cramfs、JFFS2、YAFFS2是3種性能優(yōu)越，專用于嵌入式系統(tǒng)的文件系統(tǒng)。本文通過對這3種文件系統(tǒng)的設計原理和主要性能進行分析與比較，歸納出各自的選型依據(jù)據(jù)和適用領(lǐng)域。 ??三種文件系統(tǒng)的介紹?Cramfs??????? Cramfs是Linux的創(chuàng)始人Linus Torvalds開發(fā)的一種只讀文件系統(tǒng)，采用了zlib壓縮，壓縮比一般可以達到1：2，但仍可以做到高效的隨機讀取。在Linux系統(tǒng)中，通常把不需要經(jīng)常修改的目錄壓縮存放，在系統(tǒng)引導時再將壓縮文件解開。Cramfs并不需要一次性地把文件系統(tǒng)的所有內(nèi)容都解壓到記憶體中，而只是在系統(tǒng)需要訪問某個位置的資料時，馬上計算出該資料在Cramfs中的位置，將其解壓縮到記憶體之中，然后通過對記憶體的訪問來獲取需要讀取的資料。 ??JFFS2???????? JFFS意為「Journaling Flash File System」，該文件系統(tǒng)是瑞典Axis通信公司開發(fā)的一種基于Flash記憶體的日志文件系統(tǒng)。該公司于1999年在GNU/Linux上發(fā)行了第一版JFFS文件系統(tǒng)，后來經(jīng)過Redhat公司的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)行了第二個版本的JFFS2，其全部程式碼都是可供研究開發(fā)的。它在設計時充分考慮了嵌入式系統(tǒng)中Flash記憶體的讀寫特性，確保在系統(tǒng)掉電時，正在讀寫的文件不受影響；同時，其儲存策略以及抗疲勞性等方面也在第一版的基礎上進行了改進。目前，JFFS2廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)中，尤其是嵌入式μClinux作業(yè)系統(tǒng)中。 ??YAFFS2???????? YAFFS意為「Yet Another Flash File System」，是目前唯一一個專門為NAND Flash設計的文件系統(tǒng)。它采用了類日志結(jié)構(gòu)，結(jié)合NAND Flash的特點，提供了損耗平衡和掉電保護機制，可以有效地避免意外掉電對文件系統(tǒng)一致性和完整性的影響。Aleph One公司于2002年5月發(fā)布了第一版YAFFS程式碼，用戶可以很方便地在網(wǎng)站上下載到。第一版的YAFFS只支援每頁512位元組的NAND Flash。YAFFS2是YAFFS的升級版，即支援每頁512位元組的NAND Flash記憶體，也支援每頁2048位元組的NAND Flash記憶體。 ??Flash記憶體?Flash設備特點???????? 相對于傳統(tǒng)儲存介質(zhì)，F(xiàn)lash記憶體具有如下優(yōu)點：???
˙可靠性高，采用Flash為儲存介質(zhì)，可以確保100萬次以上的可靠寫入；???儲存速度快，寫入∕讀取均可接近1Mb/ s；???使用方便，具有很強的環(huán)境適應能力。 ? ???????
但是，由于其制造制程的問題，還存在以下缺點：???
˙讀取和寫入以頁為單位，擦除以塊為單位；???
˙易出現(xiàn)隨機壞塊；???
˙塊與塊之間使用不均衡會導致壽命問題。 ??NOR Flash和NAND Flash????????
基于NOR技術(shù)的Flash記憶體是最早出現(xiàn)的Flash記憶體，它具有以下特點：???
˙程序和資料可存放在同一晶片上，擁有獨立的資料匯流排和位址匯流排，支援快速隨機讀取，允許系統(tǒng)直接從Flash中讀取程式碼并執(zhí)行，而無需先將程式碼下載至RAM中再執(zhí)行；???
˙可以單位元組或單字程式化，但必須以塊為單位進行擦除操作。 ? ?????
?? 由于NOR Flash記憶體的擦除和程式化速度較慢，而塊尺寸又比較大，因此擦除和程式化操作所花費的時間很長。目前，NOR Flash記憶體大多只用于儲存嵌入式系統(tǒng)的啟動程式碼。 ? ???
??? NAND Flash記憶體可以順序讀取儲存單元的內(nèi)容，由于制程上的進步，其容量越來越大，單位價格越來越便宜，正逐步成為Flash記憶體的主流。NAND Flash記憶體具有以下特點： ˙以頁為單位進行讀寫操作，以塊為單位進行擦除操作；頁大小為512位元組或2048位元組，每頁不僅有???
資料區(qū)，還有幾十位元組的空閑區(qū)。??
˙資料、位址采用同一匯流排界面，串列讀取。??
˙晶片尺寸小，接腳少，單位成本低。??
˙晶片內(nèi)含有失效塊，并且在使用過程中可能會出現(xiàn)隨機壞塊。?? ??????????????? 表1?比較了這兩種Flash記憶體的性能參數(shù)。 ?

三種嵌入式文件系統(tǒng)主要性能分析與比較???????? 資料安全、運行速度、占用資源、使用范圍等是嵌入式文件系統(tǒng)的主要性能指標。下面從這幾個方面入手，對這三種嵌入式文件系統(tǒng)進行分析與比較。 ??資料安全???????? 當前的嵌入式系統(tǒng)主要使用固態(tài)Flash晶片作為儲存設備。由于Flash設備自身的特點以及嵌入式系統(tǒng)工作環(huán)境的復雜多樣性，如何保證資料的安全是嵌入式文件系統(tǒng)首先要考慮的問題。資料安全主要包括資料冗余和掉電保護等部分。 ??資料冗余???????? 提高資料安全性的最有效措施是增加資料的冗余，而資料的大量冗余又給維護資料一致性帶來困難。對此應進行合理取舍，在盡量降低冗余的前提下，確保資料的安全性和可靠性。 ? ??????? Cramfs文件系統(tǒng)是一種只讀文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)內(nèi)容不可更改，設計思想遵循「只儲存最少的信息」；甚至沒有時間戳之類的信息，除了資料包的CRC校驗信息外，幾乎沒有別的資料冗余。 ? ??????? JFFS2文件系統(tǒng)是典型的日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，它儲存的資料是日志式資料信息。JFFS2在Flash上只有兩種類型的資料實體：j.ffs2_raw_inode和jffs2_raw dirent。前者包含文件的管理信息，后者用于描述文件在文件系統(tǒng)中的位置。真正的資料信息就保持在jffs2_raw_inode節(jié)點的后面，大部分管理的信息都是在系統(tǒng)掛載之后建立起來的。兩種資料實體有著公共的文件頭結(jié)構(gòu)jffs2 _ unknown_node。在這個結(jié)構(gòu)里，有個jint32 _t類型的hdr_crc變量，它代表文件頭部中其他域的CRC校驗值。這說明JFFS2文件系統(tǒng)使用的是CRC循環(huán)冗余校驗碼。 ? ??????? YAFFS2文件系統(tǒng)是一種類日志文件系統(tǒng)，專用于NAND型Flash設備。其儲存資料的基本單位是chunk，相當于Flash的頁。Chunk中的資料包括兩部分：一部分是資料區(qū)，占用Flash的一頁；另一部分是文件信息及冗余資料區(qū)，占用Flash頁的OOB區(qū)。其冗余資料主要是ECC校驗資料，對于小頁（每頁512位元組）的Flash，每頁有6位元組的ECC資料；對于大頁（每頁2048位元組）的Flash，每頁有24位元組的ECC資料。 ??掉電保護???????? 掉電保護的目的是：在系統(tǒng)意外失去供電的情況下，保證系統(tǒng)運行狀態(tài)的確定性以及記錄資料的完整性；當系統(tǒng)供電恢復后，現(xiàn)場資料可以及時恢復，避免系統(tǒng)產(chǎn)生混亂。很多文件系統(tǒng)出于運行速度考慮，在程序運行過程中，常將資料暫存在SDRAM中；一旦系統(tǒng)意外掉電，往往會造成資料丟失。 ? ??????? Cramfs文件系統(tǒng)將文件系統(tǒng)內(nèi)容解壓到記憶體中，由于其不能寫入，文件系統(tǒng)的內(nèi)容無法更改，因此不存在掉電保護的問題。 ? ??????? JFFS2是一種日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)，因此不論電源以何種方式在哪個時刻停止供電，JFFS2都能保持資料完整性。當系統(tǒng)遭受不正常斷電后重新啟動時，JFFS2自動將系統(tǒng)恢復到斷電前最后一個穩(wěn)定狀態(tài)。需要注意的是，文件系統(tǒng)在最后一個穩(wěn)定狀態(tài)之后發(fā)生的任何改變，都無法進行恢復。 ? ??????? YAFFS2是一種類日志文件系統(tǒng)，可以在意外掉電重啟后自動提供可靠的資料記錄，防止文件系統(tǒng)的崩潰。它使用獨立的日志文件跟蹤文件系統(tǒng)內(nèi)容的變化。舉例來說：當應用程式需要寫Flash的某一頁時，它首先修改的是存放于文件日志中的一塊鏡像；只有當日志中的鏡像復制到文件系統(tǒng)中后，資料才真實地寫到該頁上。當發(fā)生意外掉電重啟后，YAFFS2沒有像JFFS2那樣，使用舊文件完全代替新寫文件，而是選擇用新文件完全代替舊的文件，或者已寫部分使用新文件，未寫部分使用舊文件。這種方式增強了掉電時未完全寫入文件的安全性能，特別是當意外掉電發(fā)生在資料區(qū)時，意外掉電時的文件幾乎被完好地保存下來。 ??運行速度???????? 運行速度可以從以下幾個方面考察：文件系統(tǒng)掛載速度，讀文件速度，寫文件速度等。這里預設的儲存介質(zhì)是NAND Flash。 ? ??????? 一般而言，壓縮的、只讀的文件系統(tǒng)在啟動時需要將文件系統(tǒng)解壓到SDRAM中，這在一定程度上會減緩文件系統(tǒng)掛載速度。但是，Cramfs文件系統(tǒng)在設計時充分考慮了系統(tǒng)掛載的時間，并沒有一次性地把文件系統(tǒng)的所有內(nèi)容都解壓到記憶體中，而只是在系統(tǒng)需要訪問某個位置的資料時，迅速計算出該資料在Cramfs中的位置，將其解壓縮到記憶體之中，再進行訪問操作。由于其讀文件速度只是找出文件位址以及訪問記憶體的操作，所以無論是掛載速度，還是讀文件速度， Cramfs文件系統(tǒng)都比JFFS2和YAFFS2文件系統(tǒng)要快。 ? ??????? JFFS2文件系統(tǒng)的掛載可以分為以下幾個步驟進行：???
1.檢查每個節(jié)點CRC校驗碼的合法性，在記憶體中為每個節(jié)點每個節(jié)點分配必需的相關(guān)的結(jié)構(gòu)；???
2.掃瞄每個i節(jié)點的物理節(jié)點鏈表，建立鏈接；???
3.釋放掃瞄過程中使用的臨時信息。 ? ??????? 可以看出這個過程還是很復雜的，更重要的是，在JFFS2文件系統(tǒng)被掛載時，需要對整個Flash儲存區(qū)域進行掃瞄，這就耗費了大量的時間，因此JFFS2文件系統(tǒng)的開機速度非常緩慢。與JFFS2相比，YAFFS2減少了一些功能，掛載時只需掃瞄Flash記憶體的空閑區(qū)，根據(jù)從OOB（備份資料區(qū)）中讀取的yaffs_tags信息判讀是文件頭頁面還是資料頁面，再根據(jù)相應信息在記憶體中為每個文件建立一個對應的yaffs_object對象。由于YAFFS2在系統(tǒng)載入時只需掃瞄各個頁面的OOB區(qū)，即可建立起整個文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而不需要像JFFS2那樣掃瞄整個Flash設備，因此大大加快了文件系統(tǒng)的啟動速度。但是，YAFFS2仍然要求對整個Flash設備所有頁的空閑進行掃瞄，這就導致當Flash設備儲存空間變大時，系統(tǒng)掃瞄時間會直線上升。 ? ??????? 在文件系統(tǒng)運行時，JFFS2需要維護幾個鏈表來管理擦寫塊。根據(jù)擦寫塊上的內(nèi)容，一個擦寫塊可能會在不同的鏈表上。具體來說，當一個擦寫塊上都是合法（valid）的節(jié)點時，它會在clean_list上；當一個擦寫塊包含至少一個過時（obsolete）的節(jié)點時，它會在dirty_list上；當一個擦寫塊被擦寫完畢，并被寫入Cleanmarker節(jié)點后，它會在free_list上。正是以這些鏈表為基礎， JFFS2文件系統(tǒng)才可以實現(xiàn)垃圾回收、損耗平衡等性能。文件系統(tǒng)掛載時YAFFS2在記憶體中建立一個層次結(jié)構(gòu)的索引，可以看作是一個文件樹。樹的最底層指向?qū)嶋H存放文件的頁面，高層則是一層層的索引目錄。文件樹是通過一個聯(lián)合結(jié)構(gòu)的節(jié)點來實現(xiàn)的。聯(lián)合結(jié)構(gòu)是固定大小（32位元組），當它處于最底層時， 由16個2位元組入口來查找頁面ID；當處于其它層時，由8個4位元組指針指向其他更低層的節(jié)點。每個文件對應一個文件樹，便于檢索。在以NAND Flash為儲存介質(zhì)的嵌入式系統(tǒng)中，YAFFS2的文件讀寫性能都優(yōu)于JFFS2。 ??占用資源???????? 在嵌入式系統(tǒng)中，記憶體和外部記憶體資源匱乏，需要節(jié)約使用。因此占用的記憶體和外部記憶體資源量也是衡量嵌入式文件系統(tǒng)的一個重要指標。 ? ??????? 如果使用RAMDISK方式運行文件系統(tǒng)，那么在系統(tǒng)運行之后，首先要把Flash上的映像文件解壓到記憶體中，才可以開始運行程序。這樣，同樣的程式碼不僅在外部記憶體中占據(jù)了空間，而且由于解壓縮，還在記憶體中占用了更大的空間。Cramfs雖然是一個壓縮式的文件系統(tǒng)，但前面已介紹過，它并不需要一次性地將所有內(nèi)容解壓到記憶體之中。由于其對文件內(nèi)容的壓縮，因此無論是外部記憶體還是記憶體， Cramfs都比JFFS2和YAFFS2占用更少的資源。 ? ??????? JFFS2將文件系統(tǒng)的資料和原資料以節(jié)點的形式儲存在Flash上，其冗余資料只是節(jié)點頭部的CRC校驗碼，并且在儲存時對節(jié)點的資料進行了壓縮。與之相比，YAFFS2不僅儲存了頁資料的ECC校驗碼，并且沒有Flash設備OOB區(qū)儲存資料，而是用來儲存頁節(jié)點信息。其映像也是由若干個頁面組成，沒有對資料進行壓縮，因此YAFFS2文件系統(tǒng)映像大大超過了JFFS2文件系統(tǒng)映像。實驗表明，普通YAFFS2映像的大小約為同樣JFFS2映像大小的2倍。當文件系統(tǒng)在記憶體中運行時，JFFS2在記憶體中定義了若干鏈表，YAFFS2在記憶體中為每個文件創(chuàng)建一個文件樹。盡管為每個文件建立一個文件樹需要消耗掉不少的記憶體，但是比起維護JFFS2所需的鏈表消耗的記憶體，還是少一些。在實際運行中，YAFFS2占用的記憶體要小于JFFS2文件系統(tǒng)。 ??使用范圍???????? 要使用Cramfs或JFFS2文件系統(tǒng)，離不開MTD驅(qū)動程式層的支援。MTD（Memory Technology Device）是Linux中的一個儲存設備通用界面層。雖然也可以建立在RAM上，但它是專為基于Flash的設備而設計的。MTD包含特定Flash 晶片的驅(qū)動程式， Flash晶片驅(qū)動向上層提供讀、寫、擦除等基本的Flash操作方法。MTD對這些操作進行封裝后向用戶層提供MTD char和MTD block類型的設備。MTD char類型的設備包括/dev/mtd0等，可以對Flash的原始字元訪問；MTD block類型的設備包括/dev/mtdblock0等，將Flash類比成塊設備，這樣就可以在這些塊設備上創(chuàng)建Cramfs或JFFS2等格式的文件系統(tǒng)。在對用戶層的界面上， Cramfs或JFFS2文件系統(tǒng)還需要作業(yè)系統(tǒng)VFS（虛擬文件系統(tǒng)）的支援?！?? ??????? 同樣，YAFFS2文件系統(tǒng)支援使用MTD驅(qū) 動層和VFS層，這也是一般在嵌入式Linux或者μClinux作業(yè)系統(tǒng)中使用YAFFS2文件系統(tǒng)的常用方法。除此之外，YAFFS2還帶有NAND Flash晶片驅(qū)動，并為嵌入式系統(tǒng)提供了直接訪問文件系統(tǒng)的API，用戶可以不使用Linux中的MTD和VFS，直接對文件進行操作。圖1?為嵌入式系統(tǒng)的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 ?

YAFFS2中的YAFFS2 Direct提供了直接的文件系統(tǒng)界面，因此在那些沒有VFS層的嵌入式系統(tǒng)中也可使用YAFFS2。YAFFS2文件系統(tǒng)的使用范圍要比Cramfs和JFFS2文件系統(tǒng)廣泛；但是需要注意的是，YAFFS2只能用在NAND Flash儲存設備上。 ??結(jié)論???????? 這3種嵌入式文件系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中的應用非常廣泛，但是又具有各自的特點。表2?比較了3種文件系統(tǒng)的主要性能，并歸納出各自最適用的領(lǐng)域。 ?

具體分析如下：???
1. Cramfs是最早的一種嵌入式文件系統(tǒng)，它只儲存了最少的信息，對文件內(nèi)容進行了壓縮，運行速度比較???快。但是由于其不能寫入，不支援超過16 MB大小的文件，因此廣泛地應用于儲存空間小、文件系統(tǒng)內(nèi)容???較少并且不需要用戶寫入的嵌入式系統(tǒng)中。??
2. JFFS2是一種較早的Flash專用文件系統(tǒng)。目前已有很多JFFS2應用于μClinux以及嵌入式Linux的例子。事???實上，它已經(jīng)成為新版Linux中的一種標準文件系統(tǒng)。??
同時它對NOR Flash和NAND Flash提供支援，針對兩種Flash設備共同的特性，提供掉電保護和損耗平衡等???功能，可供用戶讀寫，十分適合于同時用到這兩種Flash設備的嵌入式系統(tǒng)。??
3. YAFFS2是專為NAND Flash設計的文件系統(tǒng)，它充分考慮了NAND Flash設備的特性，支援ECC校驗，提???供掉電保護和損耗平衡功能，運行和掛載速度都比JFFS2要快。它支援作業(yè)系統(tǒng)廣泛，包括常見的嵌入???式Linux、WinCE、μClinux。由于它提供Direct界面，因此稍加修改也可使用在沒有作業(yè)系統(tǒng)的嵌入式???系統(tǒng)中。目前，被廣泛應用于使用NAND Flash作為儲存設備的嵌入式系統(tǒng)中。 ? ???????
針對具體應用，可以在考察各種文件系統(tǒng)特點的基礎上，選擇更適合自身系統(tǒng)的一種文件系統(tǒng)解決方案。比如在許多以NAND Flash為儲存介質(zhì)的應用系統(tǒng)中，都用到「Cramfs YAFFS2」文件系統(tǒng)。以Cramfs作為根文件系統(tǒng)，既提高了啟動速度，也能保護根文件不受破壞；使用YAFFS2作為用戶文件系統(tǒng)，在保證用戶可以自由讀寫文件的基礎上，提高了文件系統(tǒng)的安全性和運行速度，不失為一種優(yōu)良的嵌入式文件系統(tǒng)解決方案。

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