第2章-文件系統(tǒng)

1、 文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)為了存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)，而在存儲(chǔ)器（包括軟硬盤和光盤等）上建立的一些結(jié)構(gòu)的總和：一般來說，文件系統(tǒng)由操作系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū)，目錄和文件組成。 文件系統(tǒng)主要完成三項(xiàng)功能：跟蹤記錄存儲(chǔ)器上中被耗用的空間和自由空間，維護(hù)目錄名和文件名，跟蹤記錄每一個(gè)文件的物理存儲(chǔ)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(shí)別一種文件系統(tǒng)，而有的則可以識(shí)別好幾種 。 根文件系統(tǒng)就是一種目錄結(jié)構(gòu)，它包括Linux啟動(dòng)時(shí)所必須的目錄和關(guān)鍵性的文件，如Linux啟動(dòng)時(shí)需要有init目錄下的相關(guān)文件，在掛載分區(qū)時(shí)Linux一定會(huì)找/etc/fstab這個(gè)掛載文件等，根文件系統(tǒng)中還包括了許多的應(yīng)用程序

2、如bin目錄等，所有這些Linux系統(tǒng)啟動(dòng)所必須的文件都可以成為根文件系統(tǒng)。 Linux啟動(dòng)時(shí)，第一個(gè)必須掛載的是根文件系統(tǒng)；若系統(tǒng)不能從指定設(shè)備上掛載根文件系統(tǒng)，則系統(tǒng)會(huì)出錯(cuò)而退出啟動(dòng)。之后可以自動(dòng)或手動(dòng)掛載其他的文件系統(tǒng)。因此，一個(gè)系統(tǒng)中可以同時(shí)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(jí)的目錄。 /bin：用于存放二進(jìn)制文件的可執(zhí)行程序。 /boot：用于存放Linux 啟動(dòng)所必需的文件，如內(nèi)核鏡像文件，引導(dǎo)加載器使用的文件LILO和GRUB。 /dev：存放系統(tǒng)的設(shè)備文件，用于訪問系統(tǒng)資源或設(shè)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(gè)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(nèi)容包括：引導(dǎo)系統(tǒng)的必備文件、文件系統(tǒng)的掛載信息、設(shè)備特殊文件、系統(tǒng)修復(fù)工具和備份工具等。普通用戶沒有訪問權(quán)限。 /sbin：存放只有root用戶才能運(yùn)行的系統(tǒng)管理命令。 /tmp：公用的臨時(shí)文件存放點(diǎn)。 /usr：用來存放供所有用戶使用的各種應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)文件的目錄，在該目錄中也有對(duì)應(yīng)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(duì)各類文件系統(tǒng) 進(jìn)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(gè)統(tǒng)一的操作界面和應(yīng)用編程接口。 文件系統(tǒng)要燒寫到存儲(chǔ)設(shè)備上，在嵌入式Linux應(yīng)用中，主要的存儲(chǔ)設(shè)備為 RAM（DRAM、SDRAM）和ROM（常用FLASH存儲(chǔ)器），常用的基于存儲(chǔ)設(shè)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(diǎn)，因而根據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的硬件特性、系統(tǒng)需求等

5、有不同的應(yīng)用場(chǎng)合。 Flash是嵌入式系統(tǒng)的主要存儲(chǔ)媒介，有其自身的特性。它的寫入操作只能把對(duì)應(yīng)位置的1修改為0，而不能把0修改為1（擦除Flash就是把對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)塊的內(nèi)容恢復(fù)為1），因此，一般情況下，向Flash寫入內(nèi)容時(shí)，需要先擦除對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)間，這種擦除是以塊（block）為單位進(jìn)行的。 Flash主要有NOR和NAND兩種技術(shù)。Flash存儲(chǔ)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(shí)序。因 此，必須針對(duì)Flash的硬件特性設(shè)計(jì)符合應(yīng)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(huì)有諸多弊端。 在嵌入式Linux下，MTD（Memory Techn

6、ology Device，存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)備）為底層硬件（閃存）和上層（文件系統(tǒng)）之間提供一個(gè)統(tǒng)一的抽象接口，即Flash的文件系統(tǒng)都是基于MTD驅(qū)動(dòng)層的。使用MTD驅(qū)動(dòng)程序的主要優(yōu)點(diǎn)在于，它是專門針對(duì)各種非易失性存儲(chǔ)器（以閃存為主）而設(shè)計(jì)的，因而它對(duì)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(gè)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(gè)分區(qū)使用，采用一個(gè)文件系統(tǒng)。即文件系統(tǒng)是針對(duì)于存儲(chǔ)器分區(qū)而言的，而非存儲(chǔ)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(nèi)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(duì)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(qū)動(dòng)層，特點(diǎn)是：可讀寫的、支持?jǐn)?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(hù)，提供“寫平衡”支持等。缺點(diǎn)主要是當(dāng)文件系統(tǒng)已滿或接近滿時(shí)，因?yàn)槔占笿FFS2的運(yùn)行速度大大放慢。 JFFS不適合用于NAN

8、D閃存，因?yàn)镹AND閃存的容量一般較大，這樣導(dǎo)致JFFS為維護(hù)日志節(jié)點(diǎn)所占用的內(nèi)存空間迅速增大，另外，JFFS文件系統(tǒng)在掛載時(shí)需要掃描整個(gè)FLASH的內(nèi)容，以找出所有的日志節(jié)點(diǎn)，建立文件結(jié)構(gòu)，對(duì)于大容量的NAND閃存會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)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(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)據(jù)壓縮），所以速度更快，掛載時(shí)間很短，對(duì)內(nèi)存的占用較小。另外，它還是跨平臺(tái)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(qū)動(dòng)，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(duì)文件系統(tǒng)操作。當(dāng)然，yaffs也可與MTD驅(qū)動(dòng)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(shí)，yaffs2在內(nèi)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(qū)動(dòng)程序。 在cramfs文件系統(tǒng)中，每一頁（4KB）被單獨(dú)壓縮，可以隨機(jī)頁訪問，其壓縮比高達(dá)2:1，為嵌入式系統(tǒng)節(jié)省大量的Flash存儲(chǔ)空間，使系統(tǒng)可通過更低容量的FLASH存儲(chǔ)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(chǔ)，在運(yùn)行時(shí)解壓縮，所有的應(yīng)用程序要求被拷到RAM里去運(yùn)行，但這并不代表比Ramfs需求的RAM空間要大一點(diǎn)，因?yàn)镃ramfs是采用分頁壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時(shí)，不會(huì)一下子就耗用過多的內(nèi)存空間，只針對(duì)目前實(shí)際讀取的部分分配內(nèi)存，尚沒有讀取的部分不分配內(nèi)存空間，當(dāng)我們讀取的檔案不在內(nèi)存時(shí)，Cramfs文件系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算壓縮后的資料所存的位

11、置，再即時(shí)解壓縮到RAM中。 另外，它的速度快，效率高，其只讀的特點(diǎn)有利于保護(hù)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(yīng)用廣泛。 但是它的只讀屬性同時(shí)又是它的一大缺陷，使得用戶無法對(duì)其內(nèi)容對(duì)進(jìn)擴(kuò)充。（4）Romfs 傳統(tǒng)型的Romfs文件系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)單的、緊湊的、只讀的文件系統(tǒng)，不支持動(dòng)態(tài)擦寫保存，按順序存放數(shù)據(jù)，因而支持應(yīng)用程序以 XIP（eXecute In Place，片內(nèi)運(yùn)行）方式運(yùn)行，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(shí)際嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)展存儲(chǔ)器（例如PDA，Sma

12、rtphone，數(shù)碼相機(jī)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(huì)有諸多弊端。(1) Ramdisk Ramdisk是將一部分固定大小的內(nèi)存當(dāng)作分區(qū)來使用。它并非一個(gè)實(shí)際的文件系統(tǒng)，而是一種將實(shí)際的文件系統(tǒng)裝入內(nèi)存的機(jī)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(huì)更改的文件（如只讀的根文件系統(tǒng)）通過Ramdisk放在內(nèi)存中，可以明顯地提高系統(tǒng)的性能。 在Linux的啟動(dòng)階段，initrd（init進(jìn)程的配置文件）提供了一套機(jī)制，可以將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)一起載入內(nèi)存。(2) ram

13、fs/tmpfs Ramfs是Linus Torvalds開發(fā)的一種基于內(nèi)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(gè)，在創(chuàng)建時(shí)可以指定其最大能使用的內(nèi)存大小。（VFS本質(zhì)上可看成一種內(nèi)存文件系統(tǒng)，它統(tǒng)一了文件在內(nèi)核中的表示方式，并對(duì)磁盤文件系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)一些臨時(shí)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(duì)Flash存儲(chǔ)器的讀寫損耗，也提高了數(shù)據(jù)讀寫速度。 Ramfs/tmpfs相對(duì)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(nèi)容大小變化。 Tmpfs的一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)重新引導(dǎo)時(shí)會(huì)丟失所有數(shù)據(jù)。 NFS是由Sun開發(fā)并發(fā)展起來的一項(xiàng)在不同機(jī)器、不同操作系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)共享文件的技術(shù)。在嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試階段，可以利用該技術(shù)在主機(jī)上建立基于N