PCAppt课件第五章嵌入式文件系统.ppt

1,第5章 嵌入式文件系统,5.1 嵌入式文件系统,2,5.1 文件系统简介,文件系统的定义 文件系统是操作系统中组织、存储和命名文件的结构，是操作系统中统一管理信息资源的一种方式，可以管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，方便用户使用。大部分应用程序都是基于文件系统进行操作，在不同的文件系统上是不能工作的。文件系统的存储媒质：磁盘、光盘、FLASH盘等FAT（文件分配表）系统是最常用的文件系统，主要优点是可以允许多种操作系统访问。,3,5.1 文件系统简介,文件系统主要功能方便的文件访问和控制：以符号名称作为文件标识，便于用户使用；并发文件访问和控制：在多道程系统中支持对文件的并发访问和控制；统一的用户接口：在不同设备上提供同样的接口，方便用户操作和编程；多种文件访问权限：在多用户系统中的不同用户对同一文件会有不同的访问权限；优化性能：存储效率、检索性能、读写性能；差错恢复：能够验证文件的正确性，并具有一定的差错恢复能力；,4,5.1 文件系统简介,文件系统的结构,5,5.1 文件系统简介,文件系统的主要内容：文件的格式 目录的格式 磁盘的分配回收 访问方式和权限 目录也是一个特殊的文件。,6,FAT文件系统,FAT文件系统的发展,7,FAT12/FAT16/FAT32比较,8,FAT 文件系统由下面四部分组成保留区 Reserved region存放引导记录，BIOS信息等FAT 区FAT信息列表(12/16/32 bits)根目录区目录信息列表(32 bytes)文件和目录数据区存放簇信息,FAT文件系统基本结构,9,引导记录基本信息 引导代码BIOS参数块(BPB)字节/扇区(512,1024,2048,4096)扇区/簇(1,2,4,8,16,32,64,128)根目录数总扇区值介质类型(硬盘,软盘，FLASH）,保留区 Reserved Region,10,通常有 FAT(P)(primary)和FAT(B)(backup)每一个簇都有一个对应的FAT表项,FAT,数据区,FAT 区,11,FAT 链表(以FAT16为例),目录树,12,5.2 嵌入式文件系统,嵌入式文件系统与桌面文件系统有较大区别:嵌入式文件系统要为嵌入式系统的设计目的而服务的，不同用途的嵌入式操作系统下的文件系统在许多方面各不相同。嵌入式Linux常用文件系统：第二版扩展文件系统（Ext2ft）、JFFS、YAFFS,13,嵌入式Linux常用文件系统,Flash Memory简介 Flash Memory上的两种技术NAND：串行；顺序读取；适合大容量；通常需MTDNOR：并行；随机读取；适合数据或程序存储；XIP；Xsbase开发平台上所使用的闪存 Intel StrataFlash Memory 28F128J3A Ext2fs、JFFS和YAFFS ext、ext2、xia、vfat、minix、msdos、umsdos、proc、smb、ncp、iso9660、sysv、hpfs、affs、ufs、vfs等,14,嵌入式Linux常用文件系统,第二版扩展文件系统（Ext2fs）的优点 Ext2fs支持达4 TB的内存（Ext是2G）。Ext2fs文件名称最长可以到1012个字符。当创建文件系统时，管理员可以选择逻辑块的大小（通常大小可选择 1024、2048和4096字节）。Ext2fs实现快速符号链接：不需要为此目的而分配数据块，并且将目标名称直接存储在索引节点表中，这使性能有所提高，特别是在速度上。,15,基于FLASH的嵌入式文件系统,嵌入式系统中常使用FLASH作为存储介质，有其特定的结构特点:基本存储单位是Page,每个Page有512+16个字节；32个Page为一个Block；所有的Block组成一个Device，代表整个存储体。主要有两种技术：NAND和NOR 三星K9F2808U0A-YCB0 FLASH（NAND技术）有16M字节的存储容量：有1024个Block,Device的总容量是：528Bytes*32Pages*1024Blocks=132Mbits Intel公司的28F128J3A Flash(NOR技术),16,NAND和NOR两种技术比较,17,FLASH的存储结构,18,FLASH的读写特点和FAT组织,读写特点：（1）必须以Page为单位进行读写；（2）写之前必须先擦除原有内容；（3）擦除操作必须对Block进行，即一次至少擦除一个Block的内容FAT组织 将Flash的一个Page定为1个扇区，2个Block-64 个扇区定为一个簇(也可以定义32个扇区为一个簇），这样，簇的容量刚好为5126432K，满足FAT16对簇大小的要求。,19,FLASH文件系统的特殊要求,（1）掉电安全：嵌入式系统的运行环境一般比较恶劣，但同时又要求有较高的可靠性。这就对FLASH文件系统进出了较高的要求，无论程序崩溃或系统掉电，都不能影响文件系统的一致性和完整性，文件系统的写入、垃圾回收等操作对系统异常中止都非常敏感，极易造成数据丢失和数据垃圾，在文件系统设计和选用时应考虑；（2）平均使用（wear-leveling)：由于FLASH扇区的擦除次数有限制，要求能够均匀使用各扇区，以延长FLASH的使用寿命；,20,（3）高效垃圾回收（garbage collection)：任何存储器在分配使用一段时间后，都会出现空区和碎片数据，为保证存储空间的使用率。方法是先移动扇区数据，再擦除整个扇区；（4）低空间消耗（low overhead)：指文件系统管理结构在FLASH存储器上的空间消耗，该空间用于FS建立，而不能用于实际数据的存储，可以提高有用数据的存储空间。,FLASH文件系统的特殊要求,21,（1）集中管理文件系统特点：存储器空间的使用信息集中存放在存储器的某个地方，存储器的其它区域用于存放数据，数据必须依赖关键信息区才能被索引和使用缺点：需要大量缓存空间，当某扇区需要更新时，先将扇区数据备份到RAM中，再进行擦除操作，最后将修改后的备份写入FLASH，缺点是难以保证掉电安全，不能均匀使用存储器空间，特别是关键信息区，对文件系统的使用都会改写该区，导致FLASH快速损坏；,FLASH文件系统的分类,22,FLASH文件系统的分类,（2）线性文件系统概述：每个文件相关的信息都连续存放在存储器中，实现简单，读写快速，文件系统的关键信息分布存放；优点：安全性好；能保证存储器的平均使用，延长了FLASH的使用寿命；缺点：对文件操作效率低，不易实现添加、插入、剪切等操作；,23,（3）日志文件系统基本思想：跟踪文件系统的变化而不是文件系统的内容概述：日志结构的文件系统使用顺序的、只增的日志作为磁盘上唯一的组织文件系统数据的结构,文件的描述可以仍采用传统的索引组织方式。方法是在内存中将几次 FS的修改汇集成一个大的日志条目(被称为段映像),然后动态分配磁盘空间并通过一次写操作写到磁盘上的一个连续的、固定大小的日志段(Segment)中。并定时或当系统发出同步写请求时保证日志同步写到磁盘上,FLASH文件系统的分类,24,典型FLASH文件系统的结构,（1）系统记录（SR，System Record）存放媒质信息和最重要的文件系统信息。媒质信息诸如Flash存储器的类型、容量，划分成多少个区块，每区块包含多少个页面等。文件系统信息包括版本信息、保留区块的数目和位置、文件分配表和文件登记表所在的位置和大小、数据区域的位置和大小等。（2）文件分配表（FAT，File Allocation Table）存放着Flash存储器上所有区块的占用与空闲情况以及每个文件的存储连接结构，采用FAT16文件格式。,25,（3）文件登记表（FRT，File Register Table）存放着Flash文件系统中每一个文件的文件代号、文件长度、文件属性以及该文件的存储链在文件分配表中的入口。（4）数据区域（Data Area）用于存放文件的数据内容。本Flash文件系统中，数据分配的最小单位是Flash存储器的一个基本擦除单元，即一个物理区块（Block）。,26,FLASH的前两个BLOCK,27,FILE结构体,typedef structU8 BufferBLOCK_SIZE;/文件缓冲区U32 fileblock;/文件当前的簇的位置U32 filemode;/打开文件的模式U32 filebufnum;/文件缓冲区中已经读取/写入的字节数U32 fileCurpos;/读写的当前位置U32 filesize;/文件的大小FILE;,28,与FLASH存储器的接口函数,块擦除：unsigned char Erase_Cluster(unsigned int cluster)页写入：int WritePage(unsigned int block,unsigned int page,unsigned char*pPage)页读出：void ReadPage(unsigned int block,unsigned int page,unsigned char*pPage),29,文件系统的相关API函数,始始化文件系统：void initOSFile()以读取或者写入模式打开文件：File*OpenOSFile（Char filename,U32 OpenMode)读文件到缓冲区：U32 ReadOSFile（FILE*pfile,U8*ReadBuffer,U32 nReadbyte)把缓冲区内容写入文件：U32 WriteOSFile（FILE*pfile,U8*WriteBuffer,U32 nWritebyte)关闭文件，释放缓冲区：void CloseOSFile(FILE*Pfile),30,OpenOSFile的工作的流程图,31,ReadOSFile函数的程序流程图,32,WriteOSFile函数的程序流程图,33,否,CloseOSFile函数的程序流程图,34,5.3 常用的基于Flash文件系统,1、JFFS文件系统 2000年Axis公司发布了他们开发的日志式Flash文件系统 JFFS文件系统是开放源代码的文件系统，可以说是专门用于嵌入式Linux等系统的 www.infradead.org JFFS是直接在Flash设备上实现的文件系统 JFFS2没有为Flash设备专门设计一个转换层来模拟普通的文件系统，而是直接对Flash进行操作,35,主要针对NOR Flash设计，是一种基于Flash 的JFFS文件系统日志文件系统 JFFS的底层驱动（MTD）主要完成文件系统对Flash芯片的访问控制，如读、写、擦除操作 JFFS2是JFFS的改进版，,36,MTD驱动：为JFFS或JFFS2 提供对NAND闪存或NOR闪存芯片进行各种操作的驱动程序,基于NOR闪存的Flash 的JFFS2文件系统已很成熟,JFFS文件系统层次图,37,YAFFS主要针对NAND Flash设计，和JFFS相比它将少了一些功能。自带NAND 芯片驱动，且为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的APIYAFFS2时YAFFS的改进版本,2、YAFFS文件系统,38,（1）JFFS是一种日志文件系统，通过日志机制保证文件系统的稳定性。YAFFS仅仅借鉴了日志系统的思想，不提供日志机能，所以稳定性不如JAFFS，但是资源占用少。（2）JFFS中使用多级链表管理需要回收的脏块，并且使用系统生成伪随机变量决定要回收的块，通过这种方法能提供较好的写均衡，在YAFFS中是从头到尾对块搜索，所以在垃圾收集上JFFS的速度慢，但是能延长NAND的寿命。,两种文件系统的比较,39,两种文件系统的比较,（3）JFFS支持文件压缩，适合存储容量较小的系统；YAFFS不支持压缩，更适合存储容量大的系统。（4）YAFFS 还带有NAND芯片驱动，并为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的API，用户可以不使用Linux中的MTD和VFS，直接对文件进行操作。,40,习题,1、教材第六章 习题1,习题2,习题3,