YAFFS文件系统在嵌入式Linux系统中的构建与改进

3 YAFFS改进策略

(1)针对挂载YAFFS时需要扫描Flash上所有被使用的块从而减慢了启动速度的问题，在文件系统的加载过程中采用空间换取时间的策略，加入索引区，用于存储文件属性信息节点[3]，但对于闪存较小的嵌入式系统则没有太大意义。YAFFS在NandFlash的页中定义和记录数据Objectpoint_data和file_data，还增加了index_data数据类型，其中记录了挂载系统时所需要的数据和节点信息，并分配专门记录这些数据的块(即索引块)。在YAFFS中创建index_data类型的数据结构yaffs_monut_index，组织文件属性的初始化数据的结构，如yaffs_object及部分相关的yaffs_Device、yafffs_BlockInfo和yaffs_Tnode等，索引块中每页的存储结构如图4所示。

inode_num和check及其他有用的数据都是存储在索引块每页的附加空间中的标记位。inode_num用于记录存储启动控制信息所用的页数，挂载时系统只需要扫描索引块已使用的页；check记录了系统卸载时，控制信息是否正常地写入闪存中，启动时如能检查通过后，则采用改进策略挂载系统，否则运行原有机制，扫描所有块[4]。YAFFS挂载时，系统扫描每一块第一页的附加区，若不是索引块就跳过检查下一块；如果是，则读取该块，获取记录了节点树中的叶节点数据的信息，重建节点树[5]。YAFFS文件系统成功挂载，即以一定的存储空间换取了大量的挂载时间。采用了该策略后，第一次挂载时系统将运行原有启动机制，卸载时将文件属性数据写入索引块，第二次挂载时则根据默认设置直接读取启动数据[6]，而且还避免了随着文件系统增大而启动变慢的问题。采用空间换取时间的策略后与原YAFFS加载过程的区别如流程图5所示。


(2)当YAFFS系统进行写操作且NandFlash中未分配空间小于预设的阈值时，启动垃圾回收机制，选取最脏块擦除。YAFFS文件系统的垃圾回收策略结合了随机策略的平衡性和贪心策略的高效性，回收机制包括：回收不再使用的脏块以及对存有有效数据的坏块进行处理。但回收算法具有随机性，系统有可能总是选中同一个块，认定它是最脏的块，并连续地擦除回收，造成恶性的使用，而NandFlash的擦除次数是有限的(大约在10次左右)。出现恶性的使用会造成闪存中的部分块损坏，而其他块使用次数却极少，缩短了闪存的寿命。
(3)针对YAFFS的磨损平衡性差的情况，采用了擦除计数机制[7]：在yaffs.guts.h中定义了存储在NandFlash的附加区中的数据结构yaffs_tags，用来标志每页的状态；定义了chunkID、objectID和有效字数等。其中有2 bit的空间是没有使用的，并从chunkID和objectID分配7 bit，将这9 bit的空间定义为erase_count，用于记录该页被擦除的次数。初始值为零，当被擦除时标记为"1"，表示擦除过一次可达到的最大计数值为511。系统垃圾回收的流程图如图6所示。当某一块的擦除次数达到511时，该块与被擦除数最小的块交换各自存储的数据，使频繁擦写的块存储很少使用的数据，而被擦除次数少的块存储频繁地更新数据[8](如文件属性信息数据)。当擦除计数达到最大的块超过70%以上时，将所有的擦除计数值归零，循环以上的操作，从而实现NandFlash的损耗基本平衡、延长使用寿命、提高文件系统可靠性。

4 性能测试

按照以上介绍的策略修改YAFFS文件系统相关部分的源代码，并且根据YAFFS根文件系统构建的基本步骤，将改进后的文件系统作为根文件系统烧写入目标板。在实验平台上，分别对YAFFS和改进后的文件系统进行性能测试和研究。性能测试的主要内容有：各块的擦除次数和文件系统挂载的时间。在实验平台上大量地进行读写和删除操作，在源代码中也添加擦除计数（只用于计数），两个文件系统经过相同数量的读写和删除操作后，读取每块的擦除次数，分析数据得出：原YAFFS中存在擦除次数为零的块，而改进后则没有；原YAFFS的最大擦除次数与最小擦除次数的比值是无穷大，而改进后都在平均值附近波动，起伏不大。文件系统加载测试的主要方法是在内核源码和文件系统源码中添加中断机制和时钟，安装评估系统时间的工具PrintkTimes补丁，运用printk输出所需数据。测试结果如表1所示。由表1可看出，由于第一次启动时文件属性信息还未写入索引区，系统启动时间与改进前大致相同，但第二次启动时索引区机制开始工作，直接从索引块中读取文件信息，修改后的YAFFS启动时间已有明显的改善，表明改进策略达到缩短加载时间的目的。

在以NandFlash为介质的嵌入式Linux平台上构建了YAFFS文件系统，并在原有YAFFS文件系统的基础上，对YAFFS的启动时间和损耗平衡进行优化。通过测试证明，启动时间相比原文件系统缩短了一半以上，且实现了NandFlash的摩擦损耗基本保持平衡，优于改进前的文件系统。