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    一篇文章讓你看懂 Linux 根文件系統類型

    • 時間:2021-01-22 17:24
    • 發布:北京linux培訓
    • 來源:linux知識庫

    一篇文章讓你看懂 Linux 根文件系統類型,快和達內北京Linux培訓機構一起來學習吧!

    Linux啟動時,第一個必須掛載的是根文件系統;若系統不能從指定設備上掛載根文件系統,則系統會出錯而退出啟動。之后可以自動或手動掛載其他的文件系統。因此,一個系統中可以同時存在不同的文件系統。

    不同的文件系統類型有不同的特點,因而根據存儲設備的硬件特性、系統需求等有不同的應用場合。在嵌入式Linux應用中,主要的存儲設備為 RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存儲器),常用的基于存儲設備的文件系統類型包括:jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

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    1. 基于FLASH的文件系統

    Flash(閃存)作為嵌入式系統的主要存儲媒介,有其自身的特性。Flash的寫入操作只能把對應位置的1修改為0,而不能把0修改為1(擦除 Flash就是把對應存儲塊的內容恢復為1),因此,一般情況下,向Flash寫入內容時,需要先擦除對應的存儲區間,這種擦除是以塊(block)為單位進行的。

    閃存主要有NOR和NAND兩種技術。Flash存儲器的擦寫次數是有限的,NAND閃存還有特殊的硬件接口和讀寫時序。因此,必須針對Flash的硬件特性設計符合應用要求的文件系統;傳統的文件系統如ext2等,用作Flash的文件系統會有諸多弊端。

    一塊Flash芯片可以被劃分為多個分區,各分區可以采用不同的文件系統;兩塊Flash芯片也可以合并為一個分區使用,采用一個文件系統。即文件系統是針對于存儲器分區而言的,而非存儲芯片。

    在嵌入式Linux下,MTD(Memory Technology Device,存儲技術設備)為底層硬件(閃存)和上層(文件系統)之間提供一個統一的抽象接口,即Flash的文件系統都是基于MTD驅動層的(參見上面的Linux下的文件系統結構圖)。使用MTD驅動程序的主要優點在于,它是專門針對各種非易失性存儲器(以閃存為主)而設計的,因而它對Flash有更好的支持、管理和基于扇區的擦除、讀/寫操作接口。

    (1) jffs2

    JFFS文件系統最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的內核為嵌入式系統開發的文件系統。JFFS2是RedHat公司基于JFFS開發的閃存文件系統,最初是針對RedHat公司的嵌入式產品eCos開發的嵌入式文件系統,所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

    Jffs2: 日志閃存文件系統版本2 (Journalling Flash FileSystem v2)

    主要用于NOR型閃存,基于MTD驅動層,特點是:可讀寫的、支持數據壓縮的、基于哈希表的日志型文件系統,并提供了崩潰/掉電安全保護,提供“寫平衡”支持等。缺點主要是當文件系統已滿或接近滿時,因為垃圾收集的關系而使jffs2的運行速度大大放慢。

    jffs不適合用于NAND閃存主要是因為NAND閃存的容量一般較大,這樣導致jffs為維護日志節點所占用的內存空間迅速增大,另外,jffs文件系統在掛載時需要掃描整個FLASH的內容,以找出所有的日志節點,建立文件結構,對于大容量的NAND閃存會耗費大量時間。

    (2) yaffs:Yet Another Flash File System

    yaffs/yaffs2是專為嵌入式系統使用NAND型閃存而設計的一種日志型文件系統。與jffs2相比,它減少了一些功能(例如不支持數據壓縮),所以速度更快,掛載時間很短,對內存的占用較小。另外,它還是跨平臺的文件系統,除了Linux和eCos,還支持WinCE, pSOS和ThreadX等。

    yaffs/yaffs2自帶NAND芯片的驅動,并且為嵌入式系統提供了直接訪問文件系統的API,用戶可以不使用Linux中的MTD與VFS,直接對文件系統操作。當然,yaffs也可與MTD驅動程序配合使用。

    yaffs與yaffs2的主要區別在于,前者僅支持小頁(512 Bytes) NAND閃存,后者則可支持大頁(2KB) NAND閃存。同時,yaffs2在內存空間占用、垃圾回收速度、讀/寫速度等方面均有大幅提升。

    (3) Cramfs:Compressed ROM File System

    Cramfs是Linux的創始人 Linus Torvalds參與開發的一種只讀的壓縮文件系統。它也基于MTD驅動程序。

    在cramfs文件系統中,每一頁(4KB)被單獨壓縮,可以隨機頁訪問,其壓縮比高達2:1,為嵌入式系統節省大量的Flash存儲空間,使系統可通過更低容量的FLASH存儲相同的文件,從而降低系統成本。

    Cramfs文件系統以壓縮方式存儲,在運行時解壓縮,所以不支持應用程序以XIP方式運行,所有的應用程序要求被拷到RAM里去運行,但這并不代表比 Ramfs需求的RAM空間要大一點,因為Cramfs是采用分頁壓縮的方式存放檔案,在讀取檔案時,不會一下子就耗用過多的內存空間,只針對目前實際讀取的部分分配內存,尚沒有讀取的部分不分配內存空間,當我們讀取的檔案不在內存時,Cramfs文件系統自動計算壓縮后的資料所存的位置,再即時解壓縮到 RAM中。

    另外,它的速度快,效率高,其只讀的特點有利于保護文件系統免受破壞,提高了系統的可靠性。

    由于以上特性,Cramfs在嵌入式系統中應用廣泛。

    但是它的只讀屬性同時又是它的一大缺陷,使得用戶無法對其內容對進擴充。

    Cramfs映像通常是放在Flash中,但是也能放在別的文件系統里,使用loopback 設備可以把它安裝別的文件系統里。

    (4) Romfs

    傳統型的Romfs文件系統是一種簡單的、緊湊的、只讀的文件系統,不支持動態擦寫保存,按順序存放數據,因而支持應用程序以XIP(eXecute In Place,片內運行)方式運行,在系統運行時,節省RAM空間。uClinux系統通常采用Romfs文件系統。

    其他文件系統:fat/fat32也可用于實際嵌入式系統的擴展存儲器(例如PDA, Smartphone, 數碼相機等的SD卡),這主要是為了更好的與最流行的Windows桌面操作系統相兼容。ext2也可以作為嵌入式Linux的文件系統,不過將它用于 FLASH閃存會有諸多弊端。

    2. 基于RAM的文件系統

    (1) Ramdisk

    Ramdisk是將一部分固定大小的內存當作分區來使用。它并非一個實際的文件系統,而是一種將實際的文件系統裝入內存的機制,并且可以作為根文件系統。將一些經常被訪問而又不會更改的文件(如只讀的根文件系統)通過Ramdisk放在內存中,可以明顯地提高系統的性能。

    在Linux的啟動階段,initrd提供了一套機制,可以將內核映像和根文件系統一起載入內存。

    (2)ramfs/tmpfs

    Ramfs是Linus Torvalds開發的一種基于內存的文件系統,工作于虛擬文件系統(VFS)層,不能格式化,可以創建多個,在創建時可以指定其最大能使用的內存大小。(實際上,VFS本質上可看成一種內存文件系統,它統一了文件在內核中的表示方式,并對磁盤文件系統進行緩沖。)

    Ramfs/tmpfs文件系統把所有的文件都放在RAM中,所以讀/寫操作發生在RAM中,可以用ramfs/tmpfs來存儲一些臨時性或經常要修改的數據,例如/tmp和/var目錄,這樣既避免了對Flash存儲器的讀寫損耗,也提高了數據讀寫速度。

    Ramfs/tmpfs相對于傳統的Ramdisk的不同之處主要在于:不能格式化,文件系統大小可隨所含文件內容大小變化。

    Tmpfs的一個缺點是當系統重新引導時會丟失所有數據。

    3. 網絡文件系統NFS (Network File System)

    NFS是由Sun開發并發展起來的一項在不同機器、不同操作系統之間通過網絡共享文件的技術。在嵌入式Linux系統的開發調試階段,可以利用該技術在主機上建立基于NFS的根文件系統,掛載到嵌入式設備,可以很方便地修改根文件系統的內容。

    以上討論的都是基于存儲設備的文件系統(memory-based file system),它們都可用作Linux的根文件系統。實際上,Linux還支持邏輯的或偽文件系統(logical or pseudo file system),例如procfs(proc文件系統),用于獲取系統信息,以及devfs(設備文件系統)和sysfs,用于維護設備文件。

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