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Yaffs 文件系统分析
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1 Yaffs文件系统结构
1.1 简介
1.1.1 应用场合
        Yaffs(Yet Another Flash File System)文件系统是专门针对NAND闪存设计的嵌入式文件系统,目前有YAFFS和YAFFS2两个版本,两个版本的主要区别之一在于YAFFS2 能够更好的支持大容量的NAND FLASH芯片。
Yaffs文件系统有些类似于JFFS/JFFS2文件系统,与之不同的是JFFS1/2文件系统最初是针对NOR FLASH的应用场合设计的,而NOR FLASH和NAND FLASH本质上有较大的区别,所以尽管JFFS1/2 文件系统也能应用于NAND FLASH,但由于它在内存占用和启动时间方面针对NOR的特性做了一些取舍,所以对NAND来说通常并不是最优的方案。
1.1.2 NOR和NAND的比较
        基本上NOR比较适合存储程序代码,其容量一般较小(比如小于32MB),价格较高,而NAND容量可达1GB以上,价格也相对便宜,适合存储数据。一般来说,128MB以下容量NAND FLASH 芯片的一页大小为528字节,用来存放数据,另外每一页还有16字节的备用空间(SpareData,OOB),用来存储ECC校验/坏块标志等信息,再由若干页组成一个块,通常一块为32页16K。
        与NOR相比,NAND不是完全可靠的,每块芯片出厂时都有一定比例的坏块存在,对数据的存取不是使用地址映射而是通过寄存器的操作,串行存取数据。
1.2 Yaffs文件系统数据在NAND上的存储方式
        Yaffs对文件系统上的所有内容(比如正常文件,目录,链接,设备文件等等)都统一当作文件来处理,每个文件都有一个页面专门存放文件头,文件头保存了文件的模式、所有者id、组id、长度、文件名、Parent Object ID等信息。因为需要在一页内放下这些内容,所以对文件名的长度,符号链接对象的路径名等长度都有限制。
前面说到对于NAND FLASH上的每一页数据,都有额外的空间用来存储附加信息,通常NAND驱动只使用了这些空间的一部分,Yaffs正是利用了这部分空间中剩余的部分来存储文件系统相关的内容。以512+16B为一个PAGE的NAND FLASH芯片为例,Yaffs文件系统数据的存储布局如下所示:
0..511
数据区域
512..515
YAFFS TAG
516
Data status byte
517
Block status byte 坏块标志位
518..519
YAFFS TAG
520..522
后256字节数据的ECC校验结果
523..524
YAFFS TAG
525..527
前256字节数据的ECC校验结果
        可以看到在这里YAFFS一共使用了8个BYTE用来存放文件系统相关的信息(yaffs_Tags)。这8个Byte的具体使用情况按顺序如下:
Bits
Content
20
ChunkID,该page在一个文件内的索引号,所以文件大小被限制在2^20 PAGE 即512Mb
2
2 bits serial number
10
ByteCount 该page内的有效字节数
18
ObjectID 对象ID号,用来唯一标示一个文件
12
Ecc, Yaffs_Tags本身的ECC校验和
2
Unused
        其中Serial Number在文件系统创建时都为0,以后每次写具有同一ObjectID和ChunkID的page的时候都加一,因为Yaffs在更新一个PAGE的时候总是在一个新的物理Page上写入数据,再将原先的物理Page删除,所以该serial number可以在断电等特殊情况下,当新的page已经写入但老的page还没有被删除的时候用来识别正确的Page,保证数据的正确性。
        ObjectID号为18bit,所以文件的总数限制在256K即26万个左右。
        最后以上这些是针对Yaffs1而言,对于Yaffs2因为针对chunk size大于1k的NAND FLASH,在Tags各分量及总体尺寸上都做了修改,以便更快更好的处理大容量的NAND FLASH芯片。由于Tag尺寸的增大,在512+16B类型的NAND FLASH上就一个Trunk对应一个page的情况,目前就无法使用Yaffs2文件系统了。
        由于文件系统的基本组织信息保存在页面的备份空间中,因此,在文件系统加载时只需要扫描各个页面的备份空间,即可建立起整个文件系统的结构,而不需要像JFFS1/2 那样扫描整个介质,从而大大加快了文件系统的加载速度。

1.3 yaffs文件系统在内存中的组织方式
1.3.1 SupperBlock
        操作文件系统的第一步自然是取得SuperBlock了,Yaffs文件系统本身在NAND Flash上并不存在所谓的SuperBlock块,完全是在文件系统mount的过程中由read_super函数填充的,不过有意思的一点是,由于物理上没有存储superblock块,所以NAND Flash上的yaffs文件系统本身没有存储filesystem的魔数(MagicNum),在内存中superblock里的s_magic参数也是直接赋值的,所以存储在NAND FLASH上的任何文件系统都能被当作yaffs文件系统mount上来,只是数据都会被当作错误数据放在lost+found目录中,不知道这算不算 yaffs文件系统的一个bug。
        通常一个具体的文件系统在VFS的Super_block结构中除了通用的数据外,还有自己专用的数据,Yaffs文件系统的专用数据是一个yaffs_DeviceStruct结构,主要用来存储一些相关软硬件配置信息,相关函数指针和统计信息等。
1.3.2 文件在内存中的组织方式
        在mount过程执行read_super的过程中,Yaffs文件系统还需要将文件系统的目录结构在内存中建立起来。由于没有super块,所以需要扫描Yaffs分区,根据从OOB中读取出的yaffs_tags信息判断出是文件头page还是数据page。再根据文件头page中的内容以及数据 page中的ObjectID/ChunkID/serial Number等信息在内存中为每个文件(Object)建立一个对应的yaffs_object对象。
        在yaffs_object结构中,主要包含了:

    Ø 如修改时间,用户ID,组ID等文件属性;
    Ø 用作yaffs文件系统维护用的各种标记位如脏(dirty)标记,删除标记等等;
    Ø 用作组织结构的,如指向父目录的Parent指针,指向同级目录中其他对象链表的siblings双向链表头结构
   
        此外根据Object类型的不同(目录,文件,链接),对应于某一具体类型的Object,在Yaffs_object中还有其各自专有的数据内容
    Ø 普通文件:文件尺寸,用于快速查找文件数据块的yaffs_Tnode 树的指针等
    Ø 目录:目录项内容双向链表头(children)
    Ø 链接:softlink的alias,hardlink对应的ObjectID
        除了对应于存储在NAND FLASH上的object而建立起来的yaffs_object以外,在read_super执行过程中还会建立一些虚拟对象(Fake Object),这些Fake Object在NAND FLASH上没有对应的物理实体,比如在建立文件目录结构的最初,yaffs会建立四个虚拟目录(Fake Directory):rootDir, unlinkedDir, deleteDir, lostNfoundDir分别用作根目录,unlinked对象挂接的目录,delete对象挂接的目录,无效或零时数据块挂接的目录。
        通过创建这些yaffs_object,yaffs文件系统就能够将存储在NAND FLASH上数据系统的组织起来,在内存中维护一个完整的文件系统结构。
2 Yaffs文件系统集成及应用相关
2.1 系统移植
        这里所谓移植,就是在特定的软硬件环境里编译出yaffs文件系统模块了。目前最新的yaffs版本的代码里主要是按照2.6内核的方式写的Kconfig和Makefile,对于2.4内核来说,改起来也很简单,基本上,只需要:
    Ø 在内核中建立YAFFS目录fs/yaffs,并把下载的YAFFS代码复制到该目录下面。
    Ø 参考yaffs代码中的Kconfig文件,按照2.4内核的风格修改你自己的Config.in文件,使得可以配置YAFFS。
    Ø 修改fs/makefile,加入yaffs目录
    Ø 按照2.4内核的风格修改YAFFS目录中的Makefile文件。
        只是在配置YAFFS的时候需要注意一点,即使你的NAND FLASH是512+16B的,不需要使用YAFFS2,也需要将对2k page的NAND FLASH的支持这一项选上,否则编译无法通过(因为部分代码没有用CONFIG宏包起来),不知道这是不是我下载的这个版本的个别现象,还是对 Makefile还需要进一步的修改。
        此外就是最好把Lets Yaffs do its own ECC选上,理由后面会说,其他选项就无所谓了,主要是对性能的调整,看着选吧,按推荐配置好了,比如Turn off debug chunk erase check,这一项,我试验的结果选上后平均可以提高20-30%左右的擦写速度。
2.2 Yaffs文件系统的制作和使用
2.2.1 通过Yaffs Image文件制作yaffs文件系统
        Yaffs源代码包的utils目录下包含了mkyaffsimage/mkyaffs2image的代码,简单的修改一下Makefile里的内核路径就能编译出mkyaffsimage/mkyaffs2image工具。
        运行mkyaffsimage dir imagename可以制作出yaffs1文件系统的镜像。
        但是,需要注意的是,制作出来的yaffs image文件与通常的文件系统的image文件不同,因为在image文件里除了以512字节为单位的一个page的data数据外,同时紧跟在后还包括了16字节为单位的NAND备份数据区(OOB)的数据。所以实际上是以528个字节为单位的。就是因为包含了这额外的16字节/page的数据,所以基本上常规办法如dd,或者通常的下载其它类型image的工具就无法正常下载yaffs image了,需要修改你所使用的下载工具的代码,使得它能将yaffs image中的这些额外数据也写入NAND FLASH OOB中。
        这里还有一点需要注意的是,通过mkyaffsimage制做出来的image其OOB中也包含它自己计算的ECC校验数据,其校验算法有可能和MTD NAND驱动的校验算法不同,如果在内核中由MTD来处理ECC,会造成MTD认为所有的page都校验错误。所以,这也是我前面说最好把Lets Yaffs do its own ECC选上的原因,同时,要把MTD NAND驱动中的ECC校验关闭。
2.2.2 其它方式制作yaffs文件系统
        如果不考虑产线批量下载的话,也可以通过mount拷贝的方式准备yaffs文件系统。用flash_eraseall将NAND FLASH分区擦除,然后做为yaffs分区直接mount上来,将文件系统的内容拷贝上去就可以了。这可能是在真正的NAND FLASH上试验yaffs文件系统最简单的方式了。
2.2.3 没有相应的NAND设备时如何测试yaffs文件系统
        没有相应的NAND FLASH设备包含两种情况:
    Ø 硬件上没有NAND FLASH,开发板上没有或者想在主机环境中测试yaffs文件系统
    Ø 没有合适的page size的NAND FLASH芯片,比如板上NAND FLASH芯片为512+16的格式,但是想要试验Yaffs2文件系统。
        Yaffs提供了两种用来在这种情况下测试yaffs文件系统的途径。
2.2.3.1 Nandemul
        Yaffs source包里包含了mtdemul目录,Yaffs2中该目录下的文件主要是Nandemul2k.c用来模拟2K page size的NAND FLASH。在Yaffs中则是Nandemul.c用来模拟512字节page size的NAND FLASH。
        稍微修改一下Makeflie将编译出来的模块插入内核,将在/dev/mtd /dev/mtdblock目录下创建一个新的MTD设备。然后就可以将该设备当作一个物理的MTD NAND设备分区进行相关的操作,可以在上面创建yaffs文件系统,mount umount等等。这种方法不仅适用于yaffs文件系统,同样也适用于其它可用于NAND设备的文件系统。

2.2.3.2 Yaffsram

        根据yaffs 官方文档的描述,通过mount –t yaffsram none /mountpoint 可以在内存中建立一个yaffs分区,这有些类似于ramfs。不过,在试验最新版本的Yaffs2文件系统时,该功能并不可用,只有Yaffs1文件系统的代码包里包含了相关的代码。
 
文章出处:http://blog.csdn.net/colorant/article/details/1561830
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