YAFFS文件系统在嵌入式Linux系统中的构建与改进

在嵌入式Linux的开发工作中，常用的存储设备有NorFlash和NandFlash，其中价格低廉并适用于高密度和大容量存储的NandFlash运用更为广泛[1]。YAFFS(Yet Another Flash File System)文件系统是专门针对NandFlash的特殊构造设计的，是一种日志结构的文件系统，性能超越了原有的JFFS系列文件系统。但随着嵌入式技术的发展，在NandFlash介质上的嵌入式Linux中构造YAFFS时，YAFFS存在挂载时间过长和损耗均衡性不足两方面的缺点，需要进一步改进和优化。

1 YAFFS文件系统

在嵌入式所用的NandFlash中，基本的读写单位是页（page），YAFFS的存储位也是页（一般称为Chunk），分为附加区（OOB）和数据区。32页组成块（block）是基本的擦除单位[2]。由于YAFFS的文件偏移地址和闪存的物理地址不一致而建立了一张文件与物理页的映射表。闪存的页序号作为表内容，以每页描述的文件偏移量作为表索引，再把这张大的映射表分为若干小表，组织成树结构，以提高文件数据块的查找速度。这种在内存中建立的层次索引目录称之为节点树(TnodeTree)，是YAFFS的核心模型，如图1所示。在节点树中按照逻辑索引（Logical chunk index）找到物理地址索引（Physical chunk index）。当文件变大时，所需的叶子节点也会增加，此时节点树就会"拔高"和"增肥"。当文件进行删除操作时，用递归的方法从叶节点向上收缩，释放已被删除节点对应的物理页。


2 构建YAFFS文件系统

2.1 实验平台

开发过程中运用的是目标板与宿主机的交叉编译模式。宿主机即PC机，采用的是虚拟机+Linux RedHat9.0系统；目标板的硬件是ARM板，采用的是一块S3C2440的ARM9微处理器，带有一块256 MB的NandFlash、64 MB的SDRAM内存。目标板采用的开发软件是嵌入式Linux2.6.28+交叉编译工具arm-Linux-gcc4.3.1。YAFFS文件系统的开发流程如图2所示，引导程序Boot-Loader一般是固定在开板的Flash中(这里不做详解)。


2.2 内核移植

(1)修改交叉编译环境，使其适用于本实验平台。修改顶级Makefile中定义的ARM编译器，使之与所采用的平台处理器相对应。修改如下：

ARCH = arm
CROSS_COMPILE = /usr/local/3.4.1/arm-linux-

同时，为了支持实验平台处理器12 MHz的晶振频率，修改Linux提供的输入时钟，在文件arch/arm/mach-
s3c2440/mach-smdk2440.c中定义s3c24xx_init_clocks
(12 000 000)；并且在该文件中将Linux支持的machine名称改为MACHINE_START(S3C2440，"Study-S3C2440")；最后，修改Linux中默认的机器号，使之与BootLoarder传递的机器参数782一致。在arch/arm/tools/math-types中，机器型号语句修改为：

S3C2440 ARCH_S3C2440 S3C2440 782

(2)内核支持MTD。MTD是闪存与文件系统的接口，NandFlash、YAFFS文件系统与MTD的联系如图3所示。

老版本的MTD与NandFlash的兼容不是很好，需要安装最新的MTD。实现Linux对MTD的支持，首先要在MTD子系统内添加NandFlash的硬件设备驱动。在arch/arm/plat-s3c2440目录下的文件common-smdk.c中定义了Flash硬件平台的驱动信息，在文件中定义了结构体static struct mtd-partition partition-info[]，表示闪存的MTD分区信息，这里将NandFlash分为5个MTD分区，分区内容如下：

[0] = { .name = "Boot",
.size = 0x00100000,
.offset = 0
}, //mtd0分区，大小为1 MB，相对偏移地址为0x0
[1] = { .name = "MyApp",
.size = 0x003c0000,
.offset = 0x00140000,
}, //mtd1分区，存储应用程序
[2] = { .name = "Kernel",
.size = 0x00300000,
.offset = 0x00500000,
}, //mtd1分区，用于存放内核
[3] = { .name = "filesystem",
.size = 0x03c00000,
.offset = 0x00800000,
}, //mtd3分区，大小为30 MB， 用于存放文件系统
[4]……
}

在该文件中，还定义了Flash的总线宽度、基本读写操作以及硬件相关的控制引脚，可根据相应的需求进行修改。

(3)增加内核对YAFFS的支持。首先将最新的YAFFS源码包放入Linux内核的/fs目录中，执行解压操作，/fs目录中添加了YAFFS文件系统的源码；然后在内核中对YAFFS进行配置，相应地修改为：在/fs/Makefile中增加obj-$(CONFIG_YAFFS_FS)+=yaffs/；在/fs/Kconfig中增加source"fs/yaffs/Kconfig"。

(4)编译内核。在Linux2.6.28内核目录下执行make menuconfig操作，在内核配置菜单中选中支持MTD、NandFlash和YAFFS文件系统的选项。注意一定要选择选项Let yaffs do its own ECC，因为制作出来的YAFFS文件系统映像中附加区的数据包含了ECC校验算法。此算法与NandFlash的MTD中的校验算法不相同，会造成MTD认为页校验错误；之后运行make zImage，在/linux2.6.28/arch/arm/boot中形成压缩的内核镜像zImage，通过S3C2440的专用串口工具DWN，将镜像烧写到kernel分区。

2.3 YAFFS根文件系统制作

(1)制作文件系统。首先，创建文件系统根目录rootfs，并且在根目录下创建子目录bin和sbin(存放自带命令)、etc(系统配置文件)、proc、lib(程序运行的动态链接库)、user、dev(系统支持的设备文件)；然后，安装Linux的常用命令集Busybox，安装其源码到Linux根目录下，修改其中的makefile,实现交叉编译：

ARCH = arm
CROSS_COMPILE = /usr/arm-linux-

在Busybox的目录下执行make menuconfig，进入配置菜单，根据需求添加选项。编译后将install目录下的文件拷贝到/rootfs中；其次，安装交互程序Bash，使系统可进入交互界面，源码包解压后，同样修改链接路径为：export PATH =/usr/local/arm/3.4.1/bin；编译后将得到的bash静态链接程序拷贝到/rootfs/bin目录中；最后，建立系统的配置文件及编写启动脚本，系统启动访问的第一个脚本etc/inittab,编辑etc/init.d/rcS脚本，执行挂载文件系统Ramfs和sysfs的命令，还可以在etc/rc.local中配置系统IP地址。

(2)制作YAFFS文件系统镜像。在YAFFS源码文件包中有util工具包，对工具包中makefile的交叉编译路径进行修改，编译后得到mkyaffsimage工具。根目录下执行：. /mkyaffsimage /rootfs rootfs.yaffs。

(3)YAFFS根文件系统烧写。修改内核的配置参数rootsystem=YAFFS，通过DWN把rootfs.yaffs镜像文件烧到filesystem分区。启动系统就会显示启动信息：VFS: Mounted root (yaffs filesystem)。