第2章-文件系統(tǒng)

1、 文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)為了存儲和管理數(shù)據(jù)，而在存儲器（包括軟硬盤和光盤等）上建立的一些結構的總和：一般來說，文件系統(tǒng)由操作系統(tǒng)引導區(qū)，目錄和文件組成。 文件系統(tǒng)主要完成三項功能：跟蹤記錄存儲器上中被耗用的空間和自由空間，維護目錄名和文件名，跟蹤記錄每一個文件的物理存儲位置。 不同的文件系統(tǒng)適用于不同的操作系統(tǒng)。有些操作系統(tǒng)只能識別一種文件系統(tǒng)，而有的則可以識別好幾種 。 根文件系統(tǒng)就是一種目錄結構，它包括Linux啟動時所必須的目錄和關鍵性的文件，如Linux啟動時需要有init目錄下的相關文件，在掛載分區(qū)時Linux一定會找/etc/fstab這個掛載文件等，根文件系統(tǒng)中還包括了許多的應用程序

2、如bin目錄等，所有這些Linux系統(tǒng)啟動所必須的文件都可以成為根文件系統(tǒng)。 Linux啟動時，第一個必須掛載的是根文件系統(tǒng)；若系統(tǒng)不能從指定設備上掛載根文件系統(tǒng)，則系統(tǒng)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(tǒng)。因此，一個系統(tǒng)中可以同時存在不同的文件系統(tǒng)。 / ：Linux文件系統(tǒng)的入口，處于最高一級的目錄。 /bin：用于存放二進制文件的可執(zhí)行程序。 /boot：用于存放Linux 啟動所必需的文件，如內核鏡像文件，引導加載器使用的文件LILO和GRUB。 /dev：存放系統(tǒng)的設備文件，用于訪問系統(tǒng)資源或設備。 /etc：用于存放系統(tǒng)的各種配置文件。 /home：用于存放系統(tǒng)各

3、個普通用戶的主目錄。 /lib：用于存放系統(tǒng)共享庫文件。 /lostfound：文件系統(tǒng)損壞后找回的文件存放目錄。 /mnt：用于掛載其他文件系統(tǒng)。 /root： root 用戶的主目錄，內容包括：引導系統(tǒng)的必備文件、文件系統(tǒng)的掛載信息、設備特殊文件、系統(tǒng)修復工具和備份工具等。普通用戶沒有訪問權限。 /sbin：存放只有root用戶才能運行的系統(tǒng)管理命令。 /tmp：公用的臨時文件存放點。 /usr：用來存放供所有用戶使用的各種應用程序和數(shù)據(jù)文件的目錄，在該目錄中也有對應的/bin、/lib、/etc等目錄。 /var：用于存放系統(tǒng)中經(jīng)常變化的文件。 Linux支持多種文件系統(tǒng)，包括EXT2、

4、EXT3、VFAT、NTFS、ISO9660、JFFS、ROMfs、NFS和PROC等，為了對各類文件系統(tǒng) 進行統(tǒng)一管理，Linux引入了虛擬文件系統(tǒng)VFS(Virtual File System)，為各類文件系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的操作界面和應用編程接口。 文件系統(tǒng)要燒寫到存儲設備上，在嵌入式Linux應用中，主要的存儲設備為 RAM（DRAM、SDRAM）和ROM（常用FLASH存儲器），常用的基于存儲設備的文件系統(tǒng)類型包括：jffs2，yaffs、 cramfs、 romfs、 ramdisk、 ramfs/tmpfs等。 不同的文件系統(tǒng)類型有不同的特點，因而根據(jù)存儲設備的硬件特性、系統(tǒng)需求等

5、有不同的應用場合。 Flash是嵌入式系統(tǒng)的主要存儲媒介，有其自身的特性。它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(qū)間，這種擦除是以塊（block）為單位進行的。 Flash主要有NOR和NAND兩種技術。Flash存儲器的擦寫次數(shù)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(tǒng)；傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)如ext2等，用作Flash的文件系統(tǒng)會有諸多弊端。 在嵌入式Linux下，MTD（Memory Techn

6、ology Device，存儲技術設備）為底層硬件（閃存）和上層（文件系統(tǒng)）之間提供一個統(tǒng)一的抽象接口，即Flash的文件系統(tǒng)都是基于MTD驅動層的。使用MTD驅動程序的主要優(yōu)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(qū)的擦除、讀/寫操作接口。 一塊Flash芯片可以被劃分為多個分區(qū)，各分區(qū)可以采用不同的文件系統(tǒng)；兩塊Flash芯片也可以合并為一個分區(qū)使用，采用一個文件系統(tǒng)。即文件系統(tǒng)是針對于存儲器分區(qū)而言的，而非存儲芯片。 (1) JFFS2 JFFS文件系統(tǒng)是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0

7、的內核為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的文件系統(tǒng)。JFFS2是RedHat公司基于JFFS開發(fā)的閃存文件系統(tǒng)，最初是針對RedHat公司的嵌入式產(chǎn)品eCos開發(fā)的嵌入式文件系統(tǒng)，JFFS2也可用在Linux、uCLinux中。JFFS3正在開發(fā)中。 JFFS2: 日志閃存文件系統(tǒng)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(shù)據(jù)壓縮的、基于哈希表的日志型文件系統(tǒng)，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(tǒng)已滿或接近滿時，因為垃圾收集而使JFFS2的運行速度大大放慢。 JFFS不適合用于NAN

8、D閃存，因為NAND閃存的容量一般較大，這樣導致JFFS為維護日志節(jié)點所占用的內存空間迅速增大，另外，JFFS文件系統(tǒng)在掛載時需要掃描整個FLASH的內容，以找出所有的日志節(jié)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(tǒng)使用NAND型閃存而設計的一種日志型文件系統(tǒng)。與JFFS2相比，它減少了一些功能（如不支持數(shù)據(jù)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(tǒng)，除了Linux和eCos，還支持WinCE、 pSOS和ThreadX

9、等。 yaffs/yaffs2自帶NAND芯片的驅動，并且為嵌入式系統(tǒng)提供了直接訪問文件系統(tǒng)的API，用戶可以不使用Linux中的MTD與VFS，直接對文件系統(tǒng)操作。當然，yaffs也可與MTD驅動程序配合使用。 yaffs與yaffs2的主要區(qū)別在于，前者僅支持小頁（512 Bytes）的NAND閃存，后者則可支持大頁（2KB）的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(chuàng)始人 Linus Torvalds參與開發(fā)的一種只讀的壓縮文件系統(tǒng)。它

10、也基于MTD驅動程序。 在cramfs文件系統(tǒng)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(tǒng)節(jié)省大量的Flash存儲空間，使系統(tǒng)可通過更低容量的FLASH存儲相同的文件，從而降低系統(tǒng)成本。 Cramfs文件系統(tǒng)以壓縮方式存儲，在運行時解壓縮，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(tǒng)自動計算壓縮后的資料所存的位

11、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(tǒng)免受破壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。由于以上特性，Cramfs在嵌入式系統(tǒng)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。（4）Romfs 傳統(tǒng)型的Romfs文件系統(tǒng)是一種簡單的、緊湊的、只讀的文件系統(tǒng)，不支持動態(tài)擦寫保存，按順序存放數(shù)據(jù)，因而支持應用程序以 XIP（eXecute In Place，片內運行）方式運行，在系統(tǒng)運行時，節(jié)省RAM空間。uClinux系統(tǒng)通常采用Romfs文件系統(tǒng)。 其他文件系統(tǒng)：fat/fat32也可用于實際嵌入式系統(tǒng)的擴展存儲器（例如PDA，Sma

12、rtphone，數(shù)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(tǒng)相兼容。ext2也可以作為嵌入式Linux的文件系統(tǒng)，不過將它用于FLASH閃存會有諸多弊端。(1) Ramdisk Ramdisk是將一部分固定大小的內存當作分區(qū)來使用。它并非一個實際的文件系統(tǒng)，而是一種將實際的文件系統(tǒng)裝入內存的機制，并且可以作為根文件系統(tǒng)。將一些經(jīng)常被訪問而又不會更改的文件（如只讀的根文件系統(tǒng)）通過Ramdisk放在內存中，可以明顯地提高系統(tǒng)的性能。 在Linux的啟動階段，initrd（init進程的配置文件）提供了一套機制，可以將內核映像和根文件系統(tǒng)一起載入內存。(2) ram

13、fs/tmpfs Ramfs是Linus Torvalds開發(fā)的一種基于內存的文件系統(tǒng)，工作于虛擬文件系統(tǒng)(VFS)層，不能格式化，可以創(chuàng)建多個，在創(chuàng)建時可以指定其最大能使用的內存大小。（VFS本質上可看成一種內存文件系統(tǒng)，它統(tǒng)一了文件在內核中的表示方式，并對磁盤文件系統(tǒng)進行緩沖。） Ramfs/tmpfs文件系統(tǒng)把所有的文件都放在RAM中，所以讀/寫操作發(fā)生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs來存儲一些臨時性或經(jīng)常要修改的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)讀寫速度。 Ramfs/tmpfs相對于傳統(tǒng)的Ramdisk的不同之處主要在于：不能格式化，文件系統(tǒng)大小可隨所含文件內容大小變化。 Tmpfs的一個缺點是當系統(tǒng)重新引導時會丟失所有數(shù)據(jù)。 NFS是由Sun開發(fā)并發(fā)展起來的一項在不同機器、不同操作系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡共享文件的技術。在嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)調試階段，可以利用該技術在主機上建立基于N