嵌入式设备FLASH及常见文件系统介绍

Flash memory vs Block device

Flash常用的有NOR Flash和NAND Flash 两种，三星推出的ONE NAND 更先进一些，不过没有机会用到。
1、块设备有两总操作，read和write；而FLASH则有三种操作read、write和erase(擦写)。
2、当Flash处于干净的状态的时候，每一位均为逻辑1。写操作是将指定位设置为0，但是不能将指定位设置为1。将FLASH状态位为0设置为1即擦写。擦写不能以Byte为单位，而是以擦写块（erase block）为单位，常见的如64K Bytes等。
3、块设备的读写均以块(eg:512Byte)为单位，FLASH则有所不同。由于FLASH寻址能够具体到字节，因此读操作可以精确到字节。NOR的写操作可以以Byte为单位，NAND Flash则以页（page）为最小写单位。
4、Flash的寿命由擦写块的最大擦写次数决定。一般NOR Flash的最大擦写次数在10万次左右，NANDFlash的擦写次数在百万次左右。
5、NAND Flash的坏块是一种常态的存在。

FlashTranslation Layer

有一种简洁的方法将块设备的文件系统(ext3,FAT)直接用到Flash memory上。即采用一个FTL（FlashTranslation Layer）将Flash模拟成512K Bytes扇区大小的块设备。将块操作一对一映射到闪存上。
这种方式的缺点是：在进行写操作的时候，需要先将整个擦写块数据读取到内存中，然后在内存中修改部分数据，擦写整个block，回写到FLASH上。因此，操作效率低，没有考虑到磨损平衡，掉电不安全。
FTL的实现有两种方式，一种软件一种硬件。软件即在设备驱动层中实现FTL功能。MTD子系统中的mtdblock设备驱动就是这种实现。因此在嵌入式编程中应尽量避免直接操作/dev/mtdblockX设备文件。如需对flash进行烧写升级可以操作/dev/mtdX设备文件，因为它是FLASH的一种字符设备模拟。当然，如果操作对象是NAND Flash则不能直接操作这两个设备文件，需要使用MTD子系统提供的工具程序来避免坏块的影响。硬件实现的FTL日常生活中非常常见，如常用的U盘，SD卡等设备均是在RAW
Flash之外增加了一个专门做FTL的接口芯片。U盘等设备是一个真正的块设备，这也是可以直接在上面格式化FAT，ext3等文件系统的原因。
避免FTL的缺点的最根本的方法就是实现FLASH专用的文件系统。由于嵌入式设备中FLASH资源有限，这几种文件系统均包含数据压缩功能(话说zImage也是压缩的呢)。根据笔者的工作经验，主要谈一下squash，jffs2并扩展说一下UBIFS。

常见flash专用文件系统
Squash是一种只读的文件系统，也因为只读，其压缩率达到了惊人的60%，同时其读速度也是非常高的。因此，在嵌入式设备中采用squash 作为rootfs是非常合适的，将文件系统中稳定的，不涉及到升级操作的部分做到squash中一方面能为应用程序、配置文件和log等提供更大的可用空间，另一方面由于其只读特性可以保证系统能够正确的启动。
Jffs2号称是FLASH上最适合的文件系统，也是NORFlash使用最多的文件系统。它通过outof place的方法来达到flash的平均磨损。不过有三个缺点：
1、挂载时间过长。因为mount时需要扫描整个FLASH。来自IBM开发网站的一份资料显示挂载一个16M的flash需要半分钟的时间。我用的2.6.28的kernel提供的MTD子系统的挂载时间约在5s以内，应该是已经将erase block summary patch加入。
2、磨损平衡的随意性。这个没有研究过。
3、很差的扩展性。JFFS2 中有两个地方的处理是O(N) 的，这使得它的扩展性很差。它的文件系统索引是在内存中生成的，因此随着文件的增多，flash的增大会增大内存占用。
UBIFS是一种新型的文件系统，可以在MTD官网上查看它的详细资料。它在FLASH上建立索引，因此扩展性更高，支持大到几个G Bytes的FLASH，同时它的速度也更快，尤其在数据完整性、数据恢复能力上都从建立索引的思想中受益。
不过，在笔者看来，UBIFS的用武之地不在嵌入式领域，而是类似于固态硬盘等需要大容量（128M+）的FLASH的领域。在当前看来，嵌入式设备的FLASH 文件系统以squash+jffs2/yaffs2最为合适，也是当下最流行的使用组合。

2011-07-30 徐敏行