2020年09月23日 | 嵌入式开发环境介绍，嵌入式文件系统要求分析

　　嵌入式开发环境介绍

　　mClinux特点简介

　　1. 取消了内存管理单元MMU，具有完整的网络功能。

　　2. 完备的文件系统支持，采用了romfs文件系统作为根文件系统，相对于一般的ext2文件系统要求更少的空间。

　　3. 使用了flat可执行文件格式：elf格式有很大的文件头，flat文件对文件头和一些段信息做了简化。

　　4. 体积小，可移植性强。

　　图1 开发环境示意图

　　常见的基于mClinux的嵌入

　　式系统开发环境的构建方法

　　在嵌入式系统的开发过程中，通常都要建立交叉编译环境，图1为常见的嵌入 式系统开发环境示意图，基于以太网下的调试一般应将宿主机和用户板接入到局域网中，本文以mClinux +S3C4510B的开发环境为例进行说明。通常的做法是在宿主机上安装RedHat Linux操作系统，并同时安装针对ARM开发的工具链arm-elf-tools。这样，在宿主机上编辑和编译好的用户程序，就可以通过以太网，将编译 后的可执行文件下载到用户板来运行。下载方式主要有以下几种。

　　FTP方式

　　首先需要打开一个超级终端，设置好相应的通讯参数，再给系统上电，就可以在超级终端里看到mClinux的启动信息。这里指明宿主机的IP地址是：10.5.22.247，用户板的IP地址是：10.5.22.8，执行如下命令来配置用户板的IP：

　　# ifconfig eth0 10.5.22.8

　　eth0 指网络设备。需要注意的是，用户板的IP地址需和宿主机的IP地址在同一网段，否则难以正常的访问宿主机。

　　这时如果可以ping通宿主机，就可以通过FTP方式访问宿主机的网络资源了。

　　接下来选择用户程序的存放目录。应注意，如果用户板用的是romfs文件系统，那么只有少数几个目录可以访问（如tmp ，var等）。选好存放目录之后，就可以通过FTP方式访问宿主机了，键入如下命令：

　　# cd /tmp

　　# ftp 10.5.22.247

　　然后输入用户名和密码以确定是否具有访问权限，成功登陆之后，需要确定文件传送格式。FTP可以用binary和ascii两种方式来传送文件，这里选择的是binary方式。输入以下指令来获取文件：

　　# binary

　　# get filename

　　# bye

　　执行# bye后就可以退出FTP。这时可以键入ls命令来查看文件是否已经传到选定的目录下。接下来要做的是改变文件的权限，如果没有可执行权限，在用户板中就无法运行程序。

　　# chmod 755 filename

　　这里的参数“7”表示拥有读、写和执行的权限；“5”仅代表拥有读和执行的权限。完成以上配置后，就可以用如下命令执行用户程序了：

　　# 。/filename

　　NFS方式

　　使 用NFS （NetWork File System）方式可以使嵌入式应用程序的开发和调试变得更为方便，并在不同的机器、不同的操作系统间共享文件，因此，NFS在嵌入式开发中得到了广泛的 应用。目前，在mClinux-2.4-x版本下配置NFS相对比较困难，下面就配置问题进行详细说明。

　　服务器（Sever）端的设置

　　首先需要设置 Linux下的/etc/exports文档，它是NFS的主要设定文档。在Linux下的shell终端，进行如下操作：

　　# vim /etc/exports

　　将这个默认的空文件修改为只有如下一行内容：

　　/home/tmp *（rw，no_root_ squash）

　　这就表示在任何情况下，客户端都可以访问服务器端的/home/tmp目录。

　　接下来要在服务器端开启如下的两个进程：

　　1.开启NFS服务

　　# /etc/rc.d/init.d/nfs start

　　启动NFS服务： ［ OK ］

　　StarTIng NFS quotas： ［ OK ］

　　启动NFS 守护进程： ［ OK ］

　　启动NFS mounted ： ［ OK ］

　　2.开启portmap服务

　　# /etc/rc.d/init.d/portmap start

　　配置完成后，可用如下办法简单测试一下NFS是否配置成功（注意在Linux下要将防火墙关闭）：在宿主机上自己mount自己，看是否成功。例如，在宿主机/目录下执行：

　　mount 10.5.22.247:/root/ /home/zhang/mount

　　然后到/home/zhang/mount/目录下看是否可以列出/root/目录下的所有文件和目录。若可以，则说明NFS在服务器端的配置成功。

　　客户端（Client）的设置

　　相 对于Sever端的设置，Client端使用的是 mClinux， 设置起来相对复杂一些，需要对mClinux的内核重新编译，并进行相关配置。需要设置Customize Kernel SetTIngs 和 Customize Vender/User SeTIngs（NEW）两项。

　　1. 对Customize Kernel SetTIngs进行配置

　　［ * ］ Customize Kernel Settings

　　进入File systems的设置，可以看到Network file systems---，将NFS File system support选中。

　　2.设置Customize Vender/User Setings（NEW）

　　［ * ］ Customize Vender/User Setings（NEW）

　　在Customize Vender/User Setings 项目中，选择Network Applications之后，需要其中的portmap服务，［*］ portmap即可。然后选择mount和umount服务使mClinux支持mount和umount指令。mClinux-2.4-x的内核对 NFS mount的支持不够，这使得在mClinux上添加NFS服务存在一些困难，而在较新的mClinux版本mClinux-2.6-x中重写了对 NTFS文件系统的支持。在BusyBox中选择mount和umount及mount NFS support三项即可，这样客户端的配置完成。最后重新编译内核，指令如下：

　　# make menuconfig ------------- 内核配

　　# make dep -------------寻找依存关系

　　# make clean------------清除以前构造内核时生成的文件

　　# make lib_only-----------该命令编译库文件

　　# make user_only----------编译用户应用程序文件

　　# make romfs ----------生成romfs文件系统

　　# make image----------生成romfs.o文件

　　# make

　　重 新编译后，会在。。。/image/目录下生成image.rom文件，它是压缩了的内核在rom的映像文件，将其烧写到用户板的Flash即可。用户板 重新启动之后，新的内核已经开始工作，这时就可以在终端里进行NFS mount了（以在minicom为例）。输入如下指令：

　　#mount -t nfs 10.5.22.247:/home/tmp /var/tmp /nfsmount -o nolock

　　# mount

　　执行完两条指令后，在Linux下的minicom里会看到如下信息：

　　Rootfs on / type rootfs （rw）

　　/dev/rom0 on / type rootfs （ro）

　　/proc on/proc type proc （rw）

　　/dev/ram0 on/var type ext2 （rw）

　　/dev/ram1 on /disk type ext2 （rw）

　　10.5.22.247:/home/tmp on /var/tmp type nfs （rw，v3，rsize=8192，hard， udp，nolock，addr=10.5.22.2）

　　这样就将宿主机的/home/tmp目录挂载到了用户板的/var/tmp目录。

　　结语

　　通过以上两种方式的比较，可以看到，就开发的效率来说，NFS的方式明显具有优势。毕竟，用户开发的程序往往不能一次就调试成功，采用 NFS方式使得多人同时开发一个程序成为可能。事实上，除了文中提到的两种方式以外，还有其它以太网环境下的嵌入式开发手段，如telnet等，限于篇 幅，不再详细介绍。

　　嵌入式文件系统要求分析

　　嵌入式linux下常见的文件系统

　　• RomFS：只读文件系统，可以放在ROM空间，也可以在系统的RAM中，嵌入式linux中常用来作

　　根文件系统

　　• RamFS：利用VFS自身结构而形成的内存文件系统，使用系统的RAM空间

　　• JFFS/JFFS2：为Flash设计的日志文件系统

　　• Yaffs：专门为Nand Flash设计

　　• proc：为内核和内核模块将信息发送给进程提供一种机制，可以查看系统模块装载的信息

　　• devFS：设备文件系统

　　Linux上的Ext2fs

　　• 支持4 TB 存储、文件名称最长1012 字符

　　• 可选择逻辑块

　　• 快速符号链接

　　• Ext2不适合flash设备

　　• 是为象IDE 设备那样的块设备设计的，逻辑块大小必须是512 byte、1 KB、2KB等

　　• 没有提供对基于扇区的擦除／写操作的良好管理

　　• 如果在一个扇区中擦除单个字节，必须将整个扇区复制到RAM，然后擦除，再重写入

　　• 在出现电源故障时，Ext2fs 是不能防止崩溃的

　　• 文件系统不支持损耗平衡，缩短了flash的寿命

　　jffs/jffs2文件系统的优缺点

　　• 日志文件系统

　　• 提供了更好的崩溃、掉电安全保护

　　• jffs2支持对flash的均匀磨损

　　• 在扇区级别上执行闪存擦除／写／读操作要比Ext2文件系统好

　　• 文件系统接近满时，JFFS2 会大大放慢运行速度——垃圾收集

　　Nand上yaffs文件系统的优势

　　• 专门为Nand flash设计的日志文件系统

　　• jffs／jffs2不适合大容量的Nand flash

　　• jffs的日志通过jffs_node建立在RAM中，占用RAM空间：对于128MB的Nand大概需要4MB的空间来维护节点

　　• 启动的时候需要扫描日志节点，不适合大容量的Nand flash

　　• FAT系统没有日志

　　编译yaffs文件系统

　　• mtd的最新补丁升级？

　　• 接口更新，适合与yaffs

　　• 与原有的mtd驱动程序不兼容，需要重写

　　• 如果使用旧mtd驱动需要定义Makefile中MTD_OLD = -DCONFIG_YAFFS_USE_OLD_MTD

　　• 参考文档： yaffs-rootfs-howto

　　• 最新版的yaffs网站：http://www.aleph1.co.uk/armlinux/projects/yaffs

　　使用yaffs文件系统

　　• 通过cat /proc/yaffs命令可以看到yaffs系统的相关信息

　　• mount -t yaffs /dev/mtdblock/0 /mnt/yaffs

　　关于Linux文件系统

　　JFFS 全称为：The Journalling Flash File System（日志闪存文件系统）最初由瑞典的 Axis Communications 开发，Red Hat 的 David Woodhouse 对它进行了改进。作为用于微型嵌入式设备的原始闪存芯片的实际文件系统而出现。JFFS文件系统是日志结构化的，这意味着它基本上是一长列节点。每个节点包含有关文件的部分信息 — 可能是文件的名称、也许是一些数据。相对于 Ext2 fs，JFFS 因为有以下这些优点而在无盘嵌入式设备中越来越受欢迎：

　　1 JFFS 在扇区级别上执行闪存擦除／写／读操作要比 Ext2 文件系统好。

　　2 JFFS 提供了比 Ext2 更好的崩溃／掉电安全保护。当需要更改少量数据时，Ext2 文件系统将整个扇区复制到内存（DRAM）中，在内存中合并新数据，并写回整个扇区。这意味着为了更改单个字，必须对整个扇区（64 KB）执行读／擦除／写例程 — 这样做的效率非常低。要是运气差，当正在 DRAM 中合并数据时，发生了电源故障或其它事故，那么将丢失整个数据集合，因为在将数据读入 DRAM 后就擦除了闪存扇区。JFFS 附加文件而不是重写整个扇区，并且具有崩溃／掉电安全保护这一功能。

　　3 这可能是最重要的一点：JFFS 是专门为象闪存芯片那样的嵌入式设备创建的，所以它的整个设计提供了更好的闪存管理。

　　要构建JFFS文件系统，首先要有硬件设备FLASH及支持JFFS文件系统的操作系统。

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　　一、flash读写的特殊性

　　对于嵌入式系统，flash是很常见的一种设备，而大部分的嵌入式系统都是把文件系统建立在flash之上，由于对flash操作的特殊性，使得在flash上的文件系统和普通磁盘上的文件系统有很大的差别，对flash操作的特殊性包括：

　　（1） 不能对单个字节进行擦除，最小的擦写单位是一个block，有时候也称为一个扇区。典型的一个block的大小是64k。不同的flash会有不同，具体参考flash芯片的规范。

　　（2） 写操作只能对一个原来是空（也就是该地址的内容是全f）的位置操作，如果该位置非空，写操作不起作用，也就是说如果要改写一个原来已经有内容的空间，只能是读出该sector到ram，在ram中改写，然后写整个sector。

　　由于这些特殊写，所以在flash这样的设备上建立文件也有自己独特的特点，下面我们就以jffs为例进行分析。

　　二、jffs体系结构介绍

　　1、存储结构

　　在jffs中，所有的文件和目录是一样对待的，都是用一个jffs_raw_inode来表示

　　整个flash上就是由一个一个的raw inode排列组成，一个目录只有一个raw inode，对于文件则是由一个或多个raw inode组成。

　　2、文件组成

　　在文件系统mount到flash设备上的时候，会扫描flash，从而根据flash上的所有属于一个文件的raw inode建立一个jffs_file结构以及node list。

　　下面的图显示了一个文件的组成

　　一个文件是由若干个jffs_node组成，每一个jffs_node是根据flash上得jffs_raw_inode而建立的，jffs_file主要维护两个链表

　　版本链表：主要是描述该node创建的早晚，就是说version_head指向的是一个最老的node，也就意味着垃圾回收的时候最该回收的就是这个最老的node。

　　区域链表：这个链表主要是为读写文件创建的，version_head指向的node代表的文件数据区域是0~~~n-1 之后依次的节点分别是 n~~~m-1 m~~~~o-1 ……。其中n《M《=“” p=“” /》

　　3、操作

　　对文件的读操作应该是比较简单，但是写操作，包括更改文件名等操作都是引起一个新的jffs_node的诞生，同时要写一个相映的raw inode到flash上，这样的操作有可能导致前面的某个jffs_node上面的数据完全失效，从而导致对应flash上的raw inode的空间成为dirty。

　　下面举一个例子可能会更清楚一些。

　　一个文件的range list是由上面的三个jffs_node组成，当我们做如下写操作的时候

　　lseek（ fd， 10， SEEK_SET ）;

　　write（ fd， buf，40 ）;

　　第一个和最后一个node被截短了，第二个node完全被新数据替换，该node会从链表上摘下来，flash上空间变成dirty。如果做如下写操作的时候

　　lseek（ fd， 23， SEEK_SET ）;

　　write（ fd， buf，5 ）;

　　此时，第二个node被分裂成两个node，同时产生一个新的node，range链表的元素变成五个。