Linux flash 文件系统剖析

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您之前可能听说过 Journaling Flash File System（JFFS）和 Yet Another Flash File System（YAFFS），但是您知道使用底层 flash 设备的文件系统意味着什么吗？本文将向您介绍 Linux® 的 flash 文件系统，并探索它们如何通过平均读写(wear leveling)处理底层的可消耗设备（flash 部件），并鉴别各种不同的 flash 文件系统以及它们的基本设计。

固态驱动器当前非常流行，但是嵌入式系统很久以前就开始使用固态驱动器进行存储。您可以看到 flash 系统被用于个人数字助理（PDA）、手机、MP3 播放器、数码相机、USB flash 驱动（UFD），甚至笔记本电脑。很多情况下，商业设备的文件系统可以进行定制并且是专有的，但是它们会遇到以下挑战。

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基于 Flash 的文件系统形式多种多样。本文将探讨几种只读文件系统，并回顾目前可用的各种读/写文件系统及其工作原理。但是，让我们先看看 flash 设备及其所面对的挑战。
Flash 内存技术
# Q7 N' m' w9 D8 N1 n7 P9 cFlash 内存（可以通过几种不同的技术实现）是一种非挥发性内存，这意味着断开电源之后其内容仍然保持下来。要了解 flash 内存的辉煌历史，请参阅 参考资料。
) |8 y: c% a& X" X) u+ Z4 \两种最常见的 flash 设备类型为：NOR 和 NAND。基于 NOR 的 flash 技术比较早，它支持较高的读性能，但以降低容量为代价。NAND flash 提供更大容量的同时实现快速的写擦性能。NAND 还需要更复杂的输入/输出（I/O）接口。
Flash 部件通常分为多个分区，允许同时进行多个操作（擦除某个分区的同时读取另一个分区）。分区再划分为块（通常大小为 64KB 或 128KB）。使用分区的固件可以进一步对块进行独特的分段 — 例如，一个块中有 512 字节的分段，但不包括元数据。
: P: u* _# l" ~+ D3 q7 P2 e4 DFlash 设备有一个常见的限制，即与其他存储设备（如 RAM 磁盘）相比，它需要进行设备管理。flash 内存设备中惟一允许的 Write 操作是将 1 修改为 0。如果需要撤销操作，那么必须擦除整个块（将所有数据重置回状态 1）。这意味着必须删除该块中的其他有效数据来实现持久化。NOR flash 内存通常一次可以编写一个字节，而 NAND flash 内存必须编写多个字节（通常为 512 字节）。
+ @4 y. {& v5 R( N这两种内存类型在擦除块方面有所不同。每种类型都需要一个特殊的 Erase 操作，该操作可以涵盖 flash 内存中的一个整块。NOR 技术需要通过一个准备步骤将所有值清零，然后再开始 Erase 操作。Erase 是针对 flash 设备的特殊操作，非常耗费时间。擦除操作与电有关，它将整个块的所有单元中的电子放掉。
$ |5 d8 Z2 O9 [$ CNOR flash 设备通常需要花费几秒时间来执行 Erase 操作，而 NAND 设备只需要几毫秒。flash 设备的一个关键特性是可执行的 Erase 操作的数量。在 NOR 设备中，flash 内存中的每个块可被擦除 100,000 次，而在 NAND flash 内存中可达到一百万次。
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Flash 内存面临的挑战
除了前面提到的一些限制以外，管理 flash 设备还面临很多挑战。三个最重大的挑战分别是垃圾收集、管理坏块和平均读写。
垃圾收集
垃圾收集 是一个回收无效块的过程（无效块中包含了一些无效数据）。回收过程包括将有效数据移动到新块，然后擦除无效块从而使它变为可用。如果文件系统的可用空间较少，那么通常将在后台执行这一过程（或者根据需要执行）。
管理坏块
用的时间长了，flash 设备就会出现坏块，甚至在出厂时就会因出现坏块而不能使用。如果 flash 操作（例如 Erase）失败，或者 Write 操作无效（通过无效的错误校正代码发现，Error Correction Code，ECC），那么说明出现了坏块。
* X" F4 X; Z( C) Z识别出坏块后，将在 flash 内部将这些坏块标记到一个坏块表中。具体操作取决于设备，但是可以通过一组独立的预留块来（不同于普通数据块管理）实现。对坏块进行处理的过程 — 不管是出厂时就有还是在使用过程中出现 — 称为坏块管理。在某些情况下，可以通过一个内部微控制器在硬件中实现，因此对于上层文件系统是透明的。
平均读写
前面提到 flash 设备属于耗损品：在变成坏块以前，可以执行有限次数的反复的 Erase 操作（因此必须由坏块管理进行标记）。平均读写算法能够最大化 flash 的寿命。平均读写有两种形式：动态平均读写 和静态平均读写 。
动态平均读写解决了块的 Erase 周期的次数限制。动态平均读写算法并不是随机使用可用的块，而是平均使用块，因此，每个块都获得了相同的使用机会。静态平均读写算法解决了一个更有趣的问题。除了最大化 Erase 周期的次数外，某些 flash 设备在两个 Erase 周期之间还受到最大化 Read 周期的影响。这意味着如果数据在块中存储的时间太长并且被读了很多次，数据会逐渐消耗直至丢失。静态平均读写算法解决了这一问题，因为它可以定期将数据移动到新块。
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2 G! u& V9 A! b( g0 l系统架构
9 P* |* G# T. `# w( V7 u: h6 q! }2 U到目前为止，我已经讨论了 flash 设备及其面临的基本挑战。现在，让我们看看这些设备如何组合成为一个分层架构的一部分（参加图 1）。架构的顶层是虚拟文件系统（VFS），它为高级应用程序提供通用接口。VFS 下面是 flash 文件系统（将在下节介绍）。接下来是 Flash 转换层（Flash Translation Layer，FTL），它整体管理 flash 设备，包括从底层 flash 设备分配块、地址转换、动态平均读写和垃圾收集。在某些 flash 设备中，可以在硬件中实现一部分 FTL 。
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图 1. flash 系统的基本架构

6 Z2 |0 R! j3 n& q" CLinux 内核使用内存技术设备（Memory Technology Device，MTD）接口，这是针对 flash 系统的通用接口。MTD 可以自动检测 flash 设备总线的宽度以及实现总线宽度所需设备的数量。
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  H! j6 a5 z: d6 A9 T/ SFlash 文件系统
! C% M7 Z( H! J* z  d/ m0 q* BLinux 可以使用多种 flash 文件系统。下一小节将解释每种文件系统的设计和优点。
Journaling Flash File System
( o1 z- x+ U: b" V, q# I+ JJournaling Flash File System 是针对 Linux 的最早 flash 文件系统之一。 JFFS 是一种专门为 NOR flash 设备设计的日志结构文件系统。它非常独特，能够解决许多 flash 设备问题，但同时也导致一些新问题。
JFFS 将 flash 设备视为一种循环的块日志。写入 flash 的数据被写到了空间的末尾，开始部分的块则被收回，而两者之间的空间是空闲的；当空间变少时，将执行垃圾收集。垃圾收集器将有效块移动到日志的尾部，跳过无效或废弃块，并擦除它们（参见图 2）。因此这种文件系统可以自动实现静态和动态平均读写。这种架构的主要缺点是过于频繁地执行擦除操作（而没有使用最佳擦除策略），从而使设备迅速磨损。

9 u. t2 ^; r  G" S! n图 2. 在垃圾收集之前和之后循环日志

. ?  i. a7 p1 x$ J: I7 N: D$ d挂载 JFFS 时结构细节将读取到内存中，这将延缓挂载时间并消耗更多的内存。
0 n, h- I9 F" Z/ \' P! T5 I+ v2 wJournaling Flash File System 2
( E8 `7 C" m' M- F; _尽管 JFFS 在早期非常有用，但是它的平均读写算法容易缩短 NOR flash 设备的寿命。因此重新设计了底层算法，去掉了循环日志。JFFS2 算法专门为 NAND flash 设备设计，并且改善压缩性能。
% Q, X; ^0 U; D# h: Q' P在 JFFS2 中，flash 中的每个块都是单独处理的。JFFS2 通过维护块列表来充分地对设备执行平均读写。clean 列表表示设备中的块全部为有效节点。dirty 列表中的块至少包含有一个废弃节点。最后，free 列表包含曾经执行过擦除操作并且可以使用的块。
$ Z. h2 A9 T/ C' D垃圾收集算法通过合理的方法智能地判断应该回收的块。目前，这个算法根据概率从 clean 或 dirty 列表中选择。dirty 列表的选择概率为 99%（将有效内容移到另一个块），而 clean 列表的选择概率为 1%（将内容移到新的块）。在这两种情况中，对选择的块执行擦除操作，然后将其置于 free 列表（参见图 3）。这允许垃圾收集器重用废弃的块，但是仍然围绕 flash 移动数据，以支持静态平均读写。
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0 J" `8 O( S  u5 D) H" _图 3. JFFS2 中的块管理和垃圾收集

" j# r2 ^$ H. j7 F+ @  o7 h, EYet Another Flash File System
YAFFS 是针对 NAND flash 开发的另一种 flash 文件系统。最早的版本（YAFFS）支持 512 字节页面的 flash 设备，但是较新的版本（YAFFS2）支持页面更大的新设备以及更大的 Write 限制。
/ F+ o4 _- Y$ g( x$ \! h大多数 flash 文件系统会对废弃块进行标记，但是 YAFFS2 使用单调递增数字序列号额外地标记块。在挂载期间扫描文件系统时，可以快速标识有效的 inode。YAFFS 保留在 RAM 中的树以表示 flash 设备的块结构，包括通过检查点（checkpointing）实现快速挂载 — 这个过程将在正常卸载时将 RAM 树结构保存到 flash 设备，以在挂载时快速读取和恢复到 RAM（参见图 4）。与其他 flash 文件系统相比，YAFFS2 的挂载时性能是它的最大优势。

! S* w& @. f: \7 Q$ A+ D& n5 Y图 4. YAFFS2 中的块管理和垃圾收集

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. c4 l, q! q8 z只读式压缩文件系统
! H2 C1 m6 O2 S4 @; H在某些嵌入式系统中，没有必要提供可更改的文件系统：一个不可更改（immutable）的文件系统已经足够。Linux 支持多种只读文件系统，最有用的两种是 cramfs 和 SquashFS。
- i' |7 C+ q* i; NCramfs
cramfs 文件系统是一种可用于 flash 设备的压缩式 Linux 只读文件系统。cramfs 的主要特点是简单和较高的空间利用率。这种文件系统用于内存占用较小的嵌入式设计。
; c' b1 i3 W; |: h6 g8 E+ h虽然 cramfs 元数据没有经过压缩，但是 cramfs 针对每个页面使用 zlib 压缩，从而允许随机的页面访问（访问时对页面进行解压缩）。
您可以通过 mkcramfs 实用工具和 loopback 设备尝试使用 cramfs。
SquashFS
, q5 _, Z( g2 O4 K( JSquashFS 是另一种可用于 flash 设备的压缩式 Linux 只读文件系统。您可以在很多 Live CD Linux 发行版中找到 SquashFS。除了支持 zlib 压缩外，SquashFS 还使用 Lembel-Ziv-Markov chain Algorithm (LZMA) 改善压缩并提高速度。
和 cramfs 一样，您可以通过 mksquashfs 和 loopback 设备在标准 Linux 系统上使用 SquashFS。
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' i4 _- l2 Z/ c# T) t结束语
. \- s5 P& J/ k和大多数开放源码一样，软件在不断演变，并且新的 flash 文件系统正在开发之中。一种还处于开发阶段的有趣的备选文件系统是 LogFS，它包含了一些非常新颖的想法。例如，LogFS 在 flash 设备中保持了一个树结构，因此挂载时间和传统的文件系统差不多（比如 ext2）。它还使用一种复杂的树实现垃圾收集（一种 B+树形式）。然而，LogFS 最有趣的地方是它具有出色的可伸缩性并且支持大型 flash 部件。
随着 flash 文件系统的日益流行，您将看到针对它们的大量研究。LogFS 就是一个例子，但是其他类似于 UbiFS 的文件系统也在不断发展。Flash 文件系统的架构非常有趣，并在还将是未来技术创新的源泉。

Terry103

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qiangqssong

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淘宝小子

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