VxWorks文件系统和Flash的TFFS设计与实现

0 引言

在VxWorks的应用系统中，基于flash的文件系统通常都采用DOS+FAT+FTL的结构。

一般情况下，磁盘文件系统大多是基于sector的文件系统，磁盘按照物理上分为柱面、磁盘、扇区，扇区是基于块的文件系统操作的基本存储单位，磁盘的容量都是根据这些数据计算出来的，每个扇区大小通常都是512bytes。

VxWorks文件系统中的DOSFS是MS-DOS兼容的文件系统，可基于块对物理介质进行操作。由于Fish的物理特性，对Flash作基于块(不同于Flash的擦除块)的操作必须由软件作封装实现，这就是TFFS所起的作用。

1 VxWorks文件系统的总体结构

VxWorks文件系统的总体结构以及TFFS在整个文件系统的位置如图l所示。



Tomado下的TFFS文件系统是Tornado的一个可选组件，它可为种类繁多的Flash设备提供一个统一的块设备接口。在Tornado2.2版本中自带的TFFS版本为2.0，在文件系统中，TFFS的功能相当于磁盘驱动，通过TFFS可使上层的DOSFS或RTll文件系统像操作普通的标准磁盘一样来操作Flash。

2 TFFS文件系统的分层

图2所示为TFFS文件系统的分层图。图中的Core Layer内核层可将其他层连接起来协同工作；翻译层主要实现DOS和TFFS之间的交互、管理文件系统和Flash各个物理块的关系，同时支持TFFS的各种功能，如磨损均衡、错误恢复等；MTD层执行底层的程序驱动(map、read、write、erase等)；socket层的名称来源于可以插拔的socket存储卡，主要提供与具体的硬件板相关的驱动。



3 FTL层分析

FTL是TFFS文件系统的核心，它是PCMCIS的一项标准，意思是Flash Translation Laycr Specification，这种类型的文件系统是目前嵌入式系统中最流行的，很多公司都提供这种文件系统的相关解决方案。

PTL为DOS BPB／FAT与Flash之间的中间层，FTL利用现成的基于块的文件系统(例如DOSFS)来实现应用层的操作，实质上就是在Flash设备上模拟磁盘块设备的实现，为基于块的文件系统提供统一的接口。FTL通过以下几步来模拟磁盘驱动：首先是在Flash擦除块之外定义小的读写块(相当于磁盘扇区)；其次是逻辑扇区(对块文件系统如DOSFS呈现的地址)和物理地址(Flash的实际地址)之间的转换；然后管理Flash，使得能在空闲的地方写入数据。其核心就是将DOS上的扇区映射到Flash上去。

为了实现DOS层从逻辑上看扇区是连续的，可随时对任意bit读写操作，FTL必须提供对Flash芯片的管理，包括向上层(DOS层)提供可以任意读写的操作接口，向下对Flash的擦除、写入、读取统一管理，同时还必须提供磨损均衡，以防止一个擦除块提前损坏。

3.1 FTL的启动过程分析

在我们调用函数tffsDevCreate创建TFFS文件系统时，会以参数FL_MOUNT_VOLUME调用函数flcall→mountvolume→flmount→mountFTL，函数mountFTL是FTL层的加载函数人口，处理过程首先是初始化FTL，然后就可按下列步骤进行：

(1)查找第一个合法的unit头信息

合法性的判断依据是unit header头上的标志CISF．．FTL100和部分头部的flag信息，由于bsp已把FS的相关信息注册到FTL的数据结构中，所以，FTL层可以找到第一块unit，并可以向后查，直到找到合法的unit为止。

(2)检验信息合法性

将所有有用的信息都读出到内部数据结构中后，即可检验信息合法性。由于unit header中的Unit ID和擦除次数都相同，所以整个文件系统的共用信息都可以从首先找到的头中读出来。

(3)给Mount每一个unit建立page表

这是mount最重要的过程，对每个unit调用mountunit()函数，并在mountunit()函数中首先判断，如果是非法unit，则作为交换unit，然后对每个BAM选项进行处理，并对垃圾BAM、空闲BAM进行统计，如果是缓冲的BAM数据和交换page的VBM，则将此page的逻辑扇区信息记录到内存的page表中，以便后续映射访问查询使用，而对于非缓冲的BAM数据，则不作处理，另外，对于交换page的VBM，则进行记录。考虑到上述过程，可见其系统中的page VBM和缓冲的数据BAM分布在各个unit的各个角落，需要将所有的VBM和缓冲数据BAM收集起来建立整个交换page表，这是FTL标准层设计时就要决定的。

(4)检验逻辑unit的完整性

当所有的unit都mount完成后，每个逻辑unit都应存在，否则mount失败。

(5)判断并关闭交换page

如果系统中已存在交换page，则对系统中存在的交换page进行关闭操作，以便后面检查page的完整性。

(6)检查page的完整性

系统中的page表必须是完整的，这个表中包含有缓冲的数据BAM映射信息和更重要的page映射信息，因此，缺少任何一个，都将导致DOS的虚拟扇区无法映射到相应的逻辑扇区。

从上述过程可见，整个mount过程是将文件系统信息读入内存数据结构并检验的过程，这个Mount PTL过程完成后，mountvolume ()函数即将隐蔽的0扇区和DOS的启动扇区信息读入内存数据结构，这样，DOS就可以访问FTL底层扇区了。

3.2 TFFS的块映射

图3中，FTL层将DOS上连续的扇区映射到Flash上某个R／W block块中，同时在某个位置记录一个映射表(称为MAP表)，该表中记录了DOS的扇区映射到Flash中的哪个block，当DOS要进行读操作时，FTL首先查询这个MAP，以获得映射信息，然后读取相应的block信息并返回给DOS，从而实现读映射。当DOS需要写入操作时，可能存在将bit0修改为1的情况，于是FTL层将申请一个新的block块，并将新信息写入，然后修改map信息，记录这个DOS扇区已经重新映射了，从而实现写映射。所以，从逻辑上看，FTL层就实现了DOS扇区的映射和FLASH的写入管理。


3.3 垃圾收集过程

FTL格式化后，可用扇区将被不断申请使用，原有扇区被不断的废弃，系统中可用的free扇区越来越少，但这并不是由于上层DOS真的使用了这么多扇区，而是FTL为了方便管理、为了不需要每次擦除一块而付出的管理代价。所以，当系统中的可用扇区少于用户要申请写入的扇区时，FTL层就必须解决这些垃圾问题，这个过程在FTL中称为垃圾回收(garbage collect)。

当FTL中的可用sector小于用户要申请的扇区时，系统将启动垃圾收集，但系统中有很多个unit，到底收集哪个unit呢?FTL会考虑磨损均衡，它将采用一个伪随机的算法来决定收集策略：即用4／256的几率选择磨损情况少的块来收集；252／256的几率则根据垃圾最多为第一条件，当垃圾一样时，判断磨损次数小的优先选择。

3.4 FFL创建的DOS

TFFS的格式化函数需要调用tffsDevFormat来格式化，而不需要调用dosFsVolFormat来格式化；另外，在tffsDevFormat格式化参数中，需要传人的参数含有FAT个数参数，其原因是DOS是FTL层创建的，而不是在FTL基础上创建的，下面是TFFS的整个格式化过程：

tffsDevFormat→flcall(FL_FORMAT_VOLUME)→formatVolume→Format→formatFTL；

其中，函数formatFTL是执行FTL层格式化的操作函数，操作时，首先根据格式化参数和BSP参数对内部数据结构初始化；然后再对每个unit进行格式化，在擦除后，即可写入unitheader信息和控制BAM值；之后写入unit No；最后申请每个page的空间；

上述formatFTL函数执行完以后，FTL就已经准备好，可以接受上层的扇区读写函数了(当然还没有内容可以读写)。