YAFFS文件系统在嵌入式Linux系统中的构建与改进

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在嵌入式Linux的开发工作中，常用的存储设备有NorFlash和NandFlash，其中价格低廉并适用于高密度和大容量存储的NandFlash运用更为广泛[1]。YAFFS(Yet Another Flash File System)文件系统是专门针对NandFlash的特殊构造设计的，是一种日志结构的文件系统，性能超越了原有的JFFS系列文件系统。但随着嵌入式技术的发展，在NandFlash介质上的嵌入式Linux中构造YAFFS时，YAFFS存在挂载时间过长和损耗均衡性不足两方面的缺点，需要进一步改进和优化。
1 YAFFS文件系统

在嵌入式所用的NandFlash中，基本的读写单位是页（page），YAFFS的存储位也是页（一般称为Chunk），分为附加区（OOB）和数据区。32页组成块（block）是基本的擦除单位[2]。由于YAFFS的文件偏移地址和闪存的物理地址不一致而建立了一张文件与物理页的映射表。闪存的页序号作为表内容，以每页描述的文件偏移量作为表索引，再把这张大的映射表分为若干小表，组织成树结构，以提高文件数据块的查找速度。这种在内存中建立的层次索引目录称之为节点树(TnodeTree)，是YAFFS的核心模型，如图1所示。在节点树中按照逻辑索引（Logical chunk index）找到物理地址索引（Physical chunk index）。当文件变大时，所需的叶子节点也会增加，此时节点树就会“拔高”和“增肥”。当文件进行删除操作时，用递归的方法从叶节点向上收缩，释放已被删除节点对应的物理页。


2 构建YAFFS文件系统

2.1 实验平台

开发过程中运用的是目标板与宿主机的交叉编译模式。宿主机即PC机，采用的是虚拟机+Linux RedHat9.0系统；目标板的硬件是ARM板，采用的是一块S3C2440的ARM9微处理器，带有一块256 MB的NandFlash、64 MB的SDRAM内存。目标板采用的开发软件是嵌入式Linux2.6.28+交叉编译工具arm-Linux-gcc4.3.1。YAFFS文件系统的开发流程如图2所示，引导程序Boot-Loader一般是固定在开板的Flash中(这里不做详解)。


2.2 内核移植

(1)修改交叉编译环境，使其适用于本实验平台。修改顶级Makefile中定义的ARM编译器，使之与所采用的平台处理器相对应。修改如下：

ARCH = arm
CROSS_COMPILE = /usr/local/3.4.1/arm-linux-

同时，为了支持实验平台处理器12 MHz的晶振频率，修改Linux提供的输入时钟，在文件arch/arm/mach-
s3c2440/mach-smdk2440.c中定义s3c24xx_init_clocks
(12 000 000)；并且在该文件中将Linux支持的machine名称改为MACHINE_START(S3C2440，“Study-S3C2440”)；最后，修改Linux中默认的机器号，使之与BootLoarder传递的机器参数782一致。在arch/arm/tools/math-types中，机器型号语句修改为：

S3C2440 ARCH_S3C2440     S3C2440     782

(2)内核支持MTD。MTD是闪存与文件系统的接口，NandFlash、YAFFS文件系统与MTD的联系如图3所示。

老版本的MTD与NandFlash的兼容不是很好，需要安装最新的MTD。实现Linux对MTD的支持，首先要在MTD子系统内添加NandFlash的硬件设备驱动。在arch/arm/plat-s3c2440目录下的文件common-smdk.c中定义了Flash硬件平台的驱动信息，在文件中定义了结构体static struct mtd-partition partition-info[]，表示闪存的MTD分区信息，这里将NandFlash分为5个MTD分区，分区内容如下：

[0] = {    .name    = "Boot",
.size        = 0x00100000,
.offset    = 0
},    //mtd0分区，大小为1 MB，相对偏移地址为0x0
[1] = {    .name    = "MyApp",
.size        = 0x003c0000,
.offset    = 0x00140000,
},    //mtd1分区，存储应用程序
[2] = {    .name    = "Kernel",
.size        = 0x00300000,
.offset    = 0x00500000,
},    //mtd1分区，用于存放内核
[3] = {    .name    = "filesystem",
.size        = 0x03c00000,   
.offset    = 0x00800000,
},    //mtd3分区，大小为30 MB， 用于存放文件系统
[4]……
}

在该文件中，还定义了Flash的总线宽度、基本读写操作以及硬件相关的控制引脚，可根据相应的需求进行修改。

(3)增加内核对YAFFS的支持。首先将最新的YAFFS源码包放入Linux内核的/fs目录中，执行解压操作，/fs目录中添加了YAFFS文件系统的源码；然后在内核中对YAFFS进行配置，相应地修改为：在/fs/Makefile中增加obj-$(CONFIG_YAFFS_FS)+=yaffs/；在/fs/Kconfig中增加source“fs/yaffs/Kconfig”。

(4)编译内核。在Linux2.6.28内核目录下执行make menuconfig操作，在内核配置菜单中选中支持MTD、NandFlash和YAFFS文件系统的选项。注意一定要选择选项Let yaffs do its own ECC，因为制作出来的YAFFS文件系统映像中附加区的数据包含了ECC校验算法。此算法与NandFlash的MTD中的校验算法不相同，会造成MTD认为页校验错误；之后运行make zImage，在/linux2.6.28/arch/arm/boot中形成压缩的内核镜像zImage，通过S3C2440的专用串口工具DWN，将镜像烧写到kernel分区。

2.3 YAFFS根文件系统制作

(1)制作文件系统。首先，创建文件系统根目录rootfs，并且在根目录下创建子目录bin和sbin(存放自带命令)、etc(系统配置文件)、proc、lib(程序运行的动态链接库)、user、dev(系统支持的设备文件)；然后，安装Linux的常用命令集Busybox，安装其源码到Linux根目录下，修改其中的makefile,实现交叉编译：

ARCH = arm
CROSS_COMPILE = /usr/arm-linux-

在Busybox的目录下执行make menuconfig，进入配置菜单，根据需求添加选项。编译后将install目录下的文件拷贝到/rootfs中；其次，安装交互程序Bash，使系统可进入交互界面，源码包解压后，同样修改链接路径为：export PATH =/usr/local/arm/3.4.1/bin；编译后将得到的bash静态链接程序拷贝到/rootfs/bin目录中；最后，建立系统的配置文件及编写启动脚本，系统启动访问的第一个脚本etc/inittab,编辑etc/init.d/rcS脚本，执行挂载文件系统Ramfs和sysfs的命令，还可以在etc/rc.local中配置系统IP地址。

(2)制作YAFFS文件系统镜像。在YAFFS源码文件包中有util工具包，对工具包中makefile的交叉编译路径进行修改，编译后得到mkyaffsimage工具。根目录下执行：. /mkyaffsimage /rootfs rootfs.yaffs。

(3)YAFFS根文件系统烧写。修改内核的配置参数rootsystem=YAFFS，通过DWN把rootfs.yaffs镜像文件烧到filesystem分区。启动系统就会显示启动信息：VFS: Mounted root (yaffs filesystem)。

3 YAFFS改进策略

(1)针对挂载YAFFS时需要扫描Flash上所有被使用的块从而减慢了启动速度的问题，在文件系统的加载过程中采用空间换取时间的策略，加入索引区，用于存储文件属性信息节点[3]，但对于闪存较小的嵌入式系统则没有太大意义。YAFFS在NandFlash的页中定义和记录数据Objectpoint_data和file_data，还增加了index_data数据类型，其中记录了挂载系统时所需要的数据和节点信息，并分配专门记录这些数据的块(即索引块)。在YAFFS中创建index_data类型的数据结构yaffs_monut_index，组织文件属性的初始化数据的结构，如yaffs_object及部分相关的yaffs_Device、yafffs_BlockInfo和yaffs_Tnode等，索引块中每页的存储结构如图4所示。

inode_num和check及其他有用的数据都是存储在索引块每页的附加空间中的标记位。inode_num用于记录存储启动控制信息所用的页数，挂载时系统只需要扫描索引块已使用的页；check记录了系统卸载时，控制信息是否正常地写入闪存中，启动时如能检查通过后，则采用改进策略挂载系统，否则运行原有机制，扫描所有块[4]。YAFFS挂载时，系统扫描每一块第一页的附加区，若不是索引块就跳过检查下一块；如果是，则读取该块，获取记录了节点树中的叶节点数据的信息，重建节点树[5]。YAFFS文件系统成功挂载，即以一定的存储空间换取了大量的挂载时间。采用了该策略后，第一次挂载时系统将运行原有启动机制，卸载时将文件属性数据写入索引块，第二次挂载时则根据默认设置直接读取启动数据[6]，而且还避免了随着文件系统增大而启动变慢的问题。采用空间换取时间的策略后与原YAFFS加载过程的区别如流程图5所示。


(2)当YAFFS系统进行写操作且NandFlash中未分配空间小于预设的阈值时，启动垃圾回收机制，选取最脏块擦除。YAFFS文件系统的垃圾回收策略结合了随机策略的平衡性和贪心策略的高效性，回收机制包括：回收不再使用的脏块以及对存有有效数据的坏块进行处理。但回收算法具有随机性，系统有可能总是选中同一个块，认定它是最脏的块，并连续地擦除回收，造成恶性的使用，而NandFlash的擦除次数是有限的(大约在10次左右)。出现恶性的使用会造成闪存中的部分块损坏，而其他块使用次数却极少，缩短了闪存的寿命。
(3)针对YAFFS的磨损平衡性差的情况，采用了擦除计数机制[7]：在yaffs.guts.h中定义了存储在NandFlash的附加区中的数据结构yaffs_tags，用来标志每页的状态；定义了chunkID、objectID和有效字数等。其中有2 bit的空间是没有使用的，并从chunkID和objectID分配7 bit，将这9 bit的空间定义为erase_count，用于记录该页被擦除的次数。初始值为零，当被擦除时标记为“1”，表示擦除过一次可达到的最大计数值为511。系统垃圾回收的流程图如图6所示。当某一块的擦除次数达到511时，该块与被擦除数最小的块交换各自存储的数据，使频繁擦写的块存储很少使用的数据，而被擦除次数少的块存储频繁地更新数据[8](如文件属性信息数据)。当擦除计数达到最大的块超过70%以上时，将所有的擦除计数值归零，循环以上的操作，从而实现NandFlash的损耗基本平衡、延长使用寿命、提高文件系统可靠性。

4 性能测试

按照以上介绍的策略修改YAFFS文件系统相关部分的源代码，并且根据YAFFS根文件系统构建的基本步骤，将改进后的文件系统作为根文件系统烧写入目标板。在实验平台上，分别对YAFFS和改进后的文件系统进行性能测试和研究。性能测试的主要内容有：各块的擦除次数和文件系统挂载的时间。在实验平台上大量地进行读写和删除操作，在源代码中也添加擦除计数（只用于计数），两个文件系统经过相同数量的读写和删除操作后，读取每块的擦除次数，分析数据得出：原YAFFS中存在擦除次数为零的块，而改进后则没有；原YAFFS的最大擦除次数与最小擦除次数的比值是无穷大，而改进后都在平均值附近波动，起伏不大。文件系统加载测试的主要方法是在内核源码和文件系统源码中添加中断机制和时钟，安装评估系统时间的工具PrintkTimes补丁，运用printk输出所需数据。测试结果如表1所示。由表1可看出，由于第一次启动时文件属性信息还未写入索引区，系统启动时间与改进前大致相同，但第二次启动时索引区机制开始工作，直接从索引块中读取文件信息，修改后的YAFFS启动时间已有明显的改善，表明改进策略达到缩短加载时间的目的。

在以NandFlash为介质的嵌入式Linux平台上构建了YAFFS文件系统，并在原有YAFFS文件系统的基础上，对YAFFS的启动时间和损耗平衡进行优化。通过测试证明，启动时间相比原文件系统缩短了一半以上，且实现了NandFlash的摩擦损耗基本保持平衡，优于改进前的文件系统。