嵌入式文件系統移植

　　嵌入式系統是一種“完全嵌入到受控器件內部，為特定應用而設計的專(zhuān)用計算機系統”。下面是小編整理的嵌入式文件系統移植，希望大家認真閱讀!

　　1.1. 計算機組成原理

　　從馮.諾依曼的存儲程序工作原理及計算機的組成來(lái)說(shuō)，計算機由運算器、控制器、存儲器和輸入/輸出設備五大部件組成。其中運算器和控制器統稱(chēng)為中央處理器(CPU)，而存儲系統分成內部存儲器(內存)和外部存儲器(外存)。輸入/輸出設備并非計算機所必需的，如果一個(gè)設備具有CPU，內存和外存，我們就可以說(shuō)它是一臺計算機。在很多嵌入式設備上，都沒(méi)有輸入/輸出設備，所以從廣義來(lái)講，我們的手機，MP3，平板電腦都可以說(shuō)是一臺計算機。

　　大家可能都聽(tīng)說(shuō)過(guò)單片機，那么什么是單片機呢?其實(shí)單片機就是把CPU，內存和外存集成在一個(gè)芯片里面，當然他還包括其他的一些功能模塊。那么我們聽(tīng)說(shuō)的ARM9,ARM11是不是單片機呢?從嚴格意義上來(lái)講，他們并不是單片機，雖說(shuō)在很多ARM處理器里面都集成得有一個(gè)小容量的SRAM，但是由于CPU內部沒(méi)有能夠掉電保存數據的外存，所以它就不是單片機。

　　1.1.1. CPU

　　中央處理器(英文CentralProcessingUnit，CPU)是一臺計算機的運算核心和控制核心，其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。CPU由運算器、控制器和寄存器及實(shí)現它們之間聯(lián)系的數據、控制及狀態(tài)的總線(xiàn)構成。差不多所有的CPU的運作原理可分為四個(gè)階段：提取/取指(Fetch)、解碼(Decode)、執行(Execute)和寫(xiě)回(Writeback)。 由于CPU的速度很快，而外存的速度很慢，所以CPU不從外存中取出數據，而是從內存或高速緩沖存儲器(cache)中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼，并執行指令。

　　1.1.2. 存儲器

　　存儲器是用來(lái)存儲程序和數據的部件，對于計算機來(lái)說(shuō)，有了存儲器，才有記憶功能，才能保證正常工作。存儲器的種類(lèi)很多，按其用途可分為主存儲器(簡(jiǎn)稱(chēng)內存或主存)和輔助存儲器(簡(jiǎn)稱(chēng)外存)。內存是電腦中的主要部件，它是相對于外存而言的，其存儲速度快，掉電后數據丟失，是CPU能直接尋址的存儲空間。內存一般采用半導體存儲單元，包括隨機存儲器(RAM)以及高速緩存(CACHE)，而RAM是其中最重要的存儲器。在系統上電前，所有的數據都是存放在外存中的，內存中的數據不可使用。當內存中沒(méi)有CPU需要的數據時(shí)，會(huì )使用DMA(相當于一個(gè)協(xié)處理器)將數據從外存中調入到內存后，再從內存取數據。

　　l 隨機存儲器(RAM)

　　RAM(random access memory)隨機存儲器。存儲單元的內容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無(wú)關(guān)的存儲器。這種存儲器在斷電時(shí)將丟失其存儲內容，故主要用于存儲短時(shí)間使用的程序。 按照存儲信息的不同，隨機存儲器又分為靜態(tài)隨機存儲器(Static RAM,SRAM)和動(dòng)態(tài)隨機存儲器(Dynamic RAM,DRAM)。

　　SRAM不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據，而DRAM(Dynamic Random Access Memory)每隔一段時(shí)間，要刷新充電一次，否則內部的數據即會(huì )消失，因此SRAM具有較快的速度和較高的性能，但是SRAM也有它的缺點(diǎn)，即它的集成度較低，相同容量的DRAM內存可以設計為較小的體積，但是SRAM卻需要很大的體積，且功耗較大。SRAM的速度快但昂貴，一般用小容量的SRAM作為更高速CPU和較低速DRAM 之間的緩存(cache).

　　在嵌入式領(lǐng)域，我們常見(jiàn)的DRAM有SDRAM和DDR(DOUBLE DATA RATE)RAM。SDRAM將CPU與RAM通過(guò)一個(gè)相同的時(shí)鐘鎖在一起，使CPU和RAM能夠共享一個(gè)時(shí)鐘周期，以相同的速度同步工作，每一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿便開(kāi)始傳遞數據。DDR RAM 是SDRAM的更新?lián)Q代產(chǎn)品，他允許在時(shí)鐘脈沖的上升沿和下降沿傳輸數據，這樣不需要提高時(shí)鐘的頻率就能加倍提高SDRAM的速度，在PC上上很常見(jiàn)，另外，很多高端的ARM處理器也支持DDR RAM。

　　l 高速緩沖存儲器(Cache)

　　Cache也是我們經(jīng)常遇到的概念，也就是平�？吹降囊患壘彺�(L1 Cache)、二級緩存(L2 Cache)、三級緩存(L3 Cache)這些數據，它位于CPU與內存之間，是一個(gè)讀寫(xiě)速度比內存更快的存儲器。當CPU向內存中寫(xiě)入或讀出數據時(shí)，這個(gè)數據也被存儲進(jìn)高速緩沖存儲器中。當CPU再次需要這些數據時(shí)，CPU就從高速緩沖存儲器讀取數據，而不是訪(fǎng)問(wèn)較慢的內存，當然，如需要的數據在Cache中沒(méi)有，CPU會(huì )再去讀取內存中的數據。

　　l 只讀存儲器(ROM)

　　只讀存儲器(Read-Only Memory)是一種只能讀取資料的存儲器。在制造過(guò)程中，將資料以一特制光罩(mask)燒錄于線(xiàn)路中，其資料內容在寫(xiě)入后就不能更改，所以有時(shí)又稱(chēng)為“光罩式只讀內存”(mask ROM)。此內存的制造成本較低，常用于電腦中的開(kāi)機啟動(dòng)如啟動(dòng)光盤(pán)，在系統裝好的電腦上時(shí)，計算機將C盤(pán)目錄下的操作系統文件讀取至內存，然后通過(guò)cpu調用各種配件進(jìn)行工作這時(shí)系統存放存儲器為RAM 。這種屬于COMPACT DISC激光唱片，光盤(pán)就是這種。

　　l 可編程程序只讀內存(PROM)

　　可編程程序只讀內存(Programmable ROM，PROM)之內部有行列式的镕絲，是需要利用電流將其燒斷，寫(xiě)入所需的資料，但僅能寫(xiě)錄一次。 PROM在出廠(chǎng)時(shí)，存儲的內容全為1，用戶(hù)可以根據需要將其中的某些單元寫(xiě)入數據0(部分的PROM在出廠(chǎng)時(shí)數據全為0，則用 戶(hù)可以將其中的部分單元寫(xiě)入1)， 以實(shí)現對其“編程”的目的。PROM的典型產(chǎn)品是“雙極性熔絲結構”，如果我們想改寫(xiě)某些單元，則可以給這些單元通以足夠大的電流，并維持一定的時(shí)間，原 先的熔絲即可熔斷，這樣就達到了改寫(xiě)某些位的效果。另外一類(lèi)經(jīng)典的PROM為使用“肖特基二極管”的PROM，出廠(chǎng)時(shí)，其中的二極管處于反向截止狀態(tài)，還 是用大電流的方法將反相電壓加在“肖特基二極管”，造成其永久性擊穿即可。

　　l EPROM

　　可擦出可編程只讀內存(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)可利用高電壓將資料編程寫(xiě)入，抹除時(shí)將線(xiàn)路曝光于紫外線(xiàn)下，則資料可被清空，并且可重復使用。通常在封裝外殼上會(huì )預留一個(gè)石英透明窗以方便曝光。

　　l EEPROM

　　電可擦出可編程只讀內存(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM)之運作原理類(lèi)似EPROM，但是抹除的方式是使用高電場(chǎng)來(lái)完成，因此不需要透明窗。

　　l FLASH

　　FLASH表示Flash Memory的意思，即平時(shí)所說(shuō)的“閃存”，全名叫Flash EEPROM Memory。它結合了ROM和RAM的長(cháng)處，不僅具備電子可擦除可編程(EEPROM)的性能，還可以快速讀取數據(NVRAM的優(yōu)勢)，使數據不會(huì )因為斷電而丟失。U盤(pán)和MP3里用的就是這種存儲器。在過(guò)去的20年里，嵌入式系統一直使用ROM(EPROM)作為它們的存儲設備，然而近年來(lái)Flash全面代替了ROM(EPROM)在嵌入式系統中的地位，用作存儲Bootloader以及操作系統或者程序代碼，或者直接當硬盤(pán)使用(U盤(pán))。

　　1.2. 嵌入式Flash存儲器

　　嵌入式硬件系統一般都需要有軟件的支持才能夠正常工作，嵌入式系統需要為軟件提供相應的存儲空間。在以往的單片機系統內，一般使用ROM(Read Only Memory)或EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)存儲程序。由于現有的嵌入式系統越來(lái)越復雜，原有的ROM由于容量、靈活性差等的限制，無(wú)法滿(mǎn)足日益復雜的應用要求。

　　閃存(Flash)是電可擦除只讀存儲器(EEPROM)的變種，但兼有RAM和ROM 的優(yōu)點(diǎn)，是一種可在系統(In-System)進(jìn)行電擦寫(xiě)，掉電后信息不丟失的存儲器，同時(shí)它的高集成度和低成本使它成為市場(chǎng)主流。隨著(zhù)Flash技術(shù)的成熟和普及，一些單片機芯片(如Freescale的8位單片機MC68HC908)已經(jīng)開(kāi)始采用片內FLASH取代過(guò)去常用的片內ROM或EPROM，使單片機具有了在線(xiàn)編程寫(xiě)入或擦除的功能。

　　FLASH在結構和操作方式上與硬盤(pán)、EEROM等其他存儲介質(zhì)有較大區別，他都是只能將1寫(xiě)為0，而不能將0寫(xiě)成1。所以在Flash編程之前，必須以塊為單位(塊大小一般為256KB到20MB)將對應的塊擦除，而擦除的過(guò)程就是將所有位都寫(xiě)為1的過(guò)程，塊內的所有字節變?yōu)?xFF。因此可以說(shuō)，編程是將相應位寫(xiě)0的過(guò)程，而擦除是將相應位寫(xiě)1的過(guò)程，兩者的執行過(guò)程完全相反。而EEPROM能在字節水平上進(jìn)行刪除和重寫(xiě)而不是整個(gè)芯片擦寫(xiě)，這樣閃存就比EEPROM的更新速度快。

　　Flash 芯片是由內部成千上萬(wàn)個(gè)存儲單元組成的，每個(gè)單元存儲一個(gè)bit。具有低功耗、大容量、擦寫(xiě)速度快、可整片或分扇區在系統編程(燒寫(xiě))、擦除等特點(diǎn)，并且可由內部嵌入的算法完成對芯片的操作，因而在各種嵌入式系統中得到了廣泛的應用。作為一種非易失性存儲器，Flash在系統中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統掉電后需要保存的用戶(hù)數據等。常用的Flash為8位或16位的數據寬度，編程電壓為單3.3V。主要的生產(chǎn)廠(chǎng)商為INTEL、ATMEL、AMD、HYUNDAI等。Flash 技術(shù)根據不同的應用場(chǎng)合也分為不同的發(fā)展方向，有擅長(cháng)存儲代碼的NOR Flash和擅長(cháng)存儲數據的NAND Flash。

　　1.3. Norflash和Nandflash的對比

　　1.3.1. NANDFlash和NORFlash芯片的共性

　　首先表現在向芯片中寫(xiě)數據必須先將芯片中對應的內容清空，然后再寫(xiě)入，即先擦后寫(xiě)。只不過(guò)NORFlash芯片只用擦寫(xiě)一個(gè)字，而NAND需要擦寫(xiě)整個(gè)塊.其次，閃存擦寫(xiě)的次數都是有限的.當閃存使用接近使用壽命時(shí)，經(jīng)常會(huì )出現寫(xiě)操作失敗;到達使用壽命時(shí)，閃存內部存放的數據雖然可以讀，但不能再進(jìn)行寫(xiě)操作了.所以為了防止上面問(wèn)題的發(fā)生，不能對某個(gè)特定的區域反復進(jìn)行寫(xiě)操作.通常NANDFlash可擦寫(xiě)次數高于NORFlash芯片，但是由于NANDFlash通常是整塊擦寫(xiě)，塊內的頁(yè)面中如果有一位失效整個(gè)塊就會(huì )失效，而且由于擦寫(xiě)過(guò)程復雜，失敗的概率相對較高，所以從整體上來(lái)說(shuō)NOR的壽命較長(cháng).

　　另一個(gè)共性是閃存的讀寫(xiě)操作不僅僅是一個(gè)物理操作，實(shí)際上在閃存上存放數據必須使用算法實(shí)現，這個(gè)模塊一般在驅動(dòng)程序的MTD'(Memory Technology Drivers)模塊中或者在FTLZ (Flash Translation Layer)層內實(shí)現，具體算法和芯片的生產(chǎn)廠(chǎng)商以及芯片型號有關(guān)系.通過(guò)比較可以發(fā)現，NAND更適用于復雜的文件應用，但是由于NAND芯片的使用相對復雜，所以對文件系統有較高的要求.

　　1.3.2. NANDFlash和NORFlash芯片的不同

　　(1)閃存芯片讀寫(xiě)的基本單位不同

　　應用程序對NorFlash芯片操作以“字”為基本單位.為了方便對大容量NorFlash閃存的管理，通常將NOR閃存分成大小為128KB或64KB的邏輯塊，有時(shí)塊內還分扇區.讀寫(xiě)時(shí)需要同時(shí)指定邏輯塊號和塊內偏移.應用程序對NandFlash芯片操作是以“塊”為基本單位.NAND閃存的塊比較小，一般是8KB，然后每塊又分成頁(yè)，頁(yè)大小一般是512字節.要修改NandFlash芯片中一個(gè)字節，必須重寫(xiě)整個(gè)數據塊.

　　(2)NorFlash閃存是隨機存儲介質(zhì)，用于數據量較小的場(chǎng)合;NandFlash閃存是連續存儲介質(zhì)，適合存放大的數據.

　　(3)由于NorFlash地址線(xiàn)和數據線(xiàn)分開(kāi)，所以NorFlash芯片可以像SDRAM一樣連在數據線(xiàn)上.NOR芯片的使用類(lèi)似于通常內存芯片，傳輸效率高，可執行程序可以在芯片內執行(XI P, eXecute In Place)，這樣應用程序可以直接在flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中.由于NorFlash的這個(gè)特點(diǎn)，嵌入式系統中經(jīng)常將NOR芯片做啟動(dòng)芯片使用.NandFlash共用地址和數據總線(xiàn)，需要額外聯(lián)結一些控制的輸入輸出，所以直接將NAND芯片做啟動(dòng)芯片比較難.

　　(4)NandFlash閃存芯片因為共用地址和數據總線(xiàn)的原因，不允許對一個(gè)字節甚至一個(gè)塊進(jìn)行的數據清空，只能對一個(gè)固定大小的區域進(jìn)行清零操作;NorFlash芯片可以對字進(jìn)行操作.所以在處理小數據量的I/O操作的時(shí)候的速度要快與NorFlash的速度.比如一塊NorFlash芯片通常寫(xiě)一個(gè)字需要10us，在32位總線(xiàn)上寫(xiě)512字節需要1280us;NandFlash閃存寫(xiě)512字節需要的時(shí)間包括：512×每字節50ns+10us的尋頁(yè)時(shí)間+200us的片擦寫(xiě)時(shí)間=234us.

　　(5)NandFlash閃存的容量比較大，最大容量己達到8G字節.為了方便管理，NandFlash的存儲空間使用了塊和頁(yè)兩級存儲體系，也就是說(shuō)它的存儲空間是二維的，比如K9F5608UOA閃存塊的大小為16K，每頁(yè)大小是512字節，每頁(yè)還16字節空閑區用來(lái)存放錯誤校驗碼空間(也稱(chēng)為out-of-band，OOB空間).在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，NandFlash閃存每次將一個(gè)字節的數據放入內部的緩存區，然后再發(fā)出“寫(xiě)指令”進(jìn)行寫(xiě)操作.由于對NandFlash閃存的操作都是以塊和頁(yè)為單位的，所以在向NandFlash閃存進(jìn)行大量數據的讀寫(xiě)時(shí)，NAND的速度要快于NOR閃存.

　　(6)NorFlash閃存的可靠性要高于NandFlash閃存，是因為NorFlash型閃存的接口簡(jiǎn)單，數據操作少，位交換操作少，因此可靠性高，極少出現壞區塊，一般用在對可靠性要求高的地方.NandFlash型閃存接口和操作均相對復雜，位交換操作也很多，關(guān)鍵性數據更是需安錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法來(lái)確保數據的完整性，因此出現問(wèn)題的幾率要大得多，壞區塊也是不可避免的，而且由于壞區塊是隨機分布的，連糾錯也無(wú)法做到.

　　(7)NANDFlash一般地址線(xiàn)和數據線(xiàn)共用，對讀寫(xiě)速度有一定影響;NORFlash閃存數據線(xiàn)和地址線(xiàn)分開(kāi)，相對而言讀寫(xiě)速度快一些.

　　(8)接口對比

　　NorFlash帶有通用的SRAM接口，可以輕松地掛接在CPU的地址、數據總線(xiàn)上，對CPU的接口要求低。NorFlash的特點(diǎn)是芯片內執行(XIP,eXecute In Place)，這樣應用程序可以直接在flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中.如uboot中的ro段可以直接在NorFlash上運行，只需要把rw和zi段拷貝到RAM中運行即可.

　　NandFlash器件使用復雜的I/O口來(lái)串行地存取數據，8個(gè)引腳用來(lái)傳送控制、地址和數據信息。由于時(shí)序較為復雜，所以一般CPU最好集成NandFlash控制器.另外由于NandFlash沒(méi)有掛接在地址總線(xiàn)上，所以如果想用NandFlash作為系統的啟動(dòng)盤(pán)，就需要CPU具備特殊的功能，如s3c2440在被選擇為NandFlash啟動(dòng)方式時(shí)會(huì )在上電時(shí)自動(dòng)讀取NandFlash的4k數據到地址0的SRAM中.如果CPU不具備這種特殊功能，用戶(hù)不能直接運行NandFlash上的代碼，那可以采取其他方式，比如好多使用NandFlash的開(kāi)發(fā)板除了使用NandFlash以外，還用上了一塊小的NorFlash來(lái)運行啟動(dòng)代碼.

　　(9)容量和成本對比

　　相比起NandFlash來(lái)說(shuō)，NorFlash的容量要小，一般在1~16MByte左右，一些新工藝采用了芯片疊加技術(shù)可以把NorFlash的容量做得大一些.在價(jià)格方面，NorFlash相比NandFlash來(lái)說(shuō)較高，如目前市場(chǎng)上一片4Mbyte的AM29lv320 NorFlash零售價(jià)在20元左右，而一片128MByte的k9f1g08 NandFlash零售價(jià)在30元左右. NandFlash生產(chǎn)過(guò)程更為簡(jiǎn)單，NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量，這樣也就相應地降低了價(jià)格.

　　(10)可靠性性對比

　　NandFlash器件中的壞塊是隨機分布的，以前也曾有過(guò)消除壞塊的努力，但發(fā)現成品率太低，代價(jià)太高，根本不劃算.Nand器件需要對介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現壞塊，并將壞塊標記為不可用.在已制成的器件中，如果通過(guò)可靠的方法不能進(jìn)行這項處理，將導致高故障率。而壞塊問(wèn)題在NorFlash上是不存在的.

　　在Flash的位翻轉(一個(gè)bit位發(fā)生翻轉)現象上，NAND的出現幾率要比NorFlash大得多.這個(gè)問(wèn)題在Flash存儲關(guān)鍵文件時(shí)是致命的，所以在使用NandFlash時(shí)建議同時(shí)使用EDC/ECC等校驗算法.

　　(11)升級對比

　　NorFlash的升級較為麻煩，因為不同容量的NorFlash的地址線(xiàn)需求不一樣，所以在更換不同容量的NorFlash芯片時(shí)不方便.通常我們會(huì )通過(guò)在電路板的地址線(xiàn)上做一些跳接電阻來(lái)解決這樣的問(wèn)題，針對不同容量的NorFlash. 而不同容量的NandFlash的接口是固定的，所以升級簡(jiǎn)單.

　　(12)讀寫(xiě)性能對比

　　寫(xiě)操作：任何flash器件的寫(xiě)入操作都只能在空或已擦除的單元內進(jìn)行.NAND器件執行擦除操作是十分簡(jiǎn)單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標塊內所有的位都寫(xiě)為1.擦除NOR器件時(shí)是以64～128KB的塊進(jìn)行的，執行一個(gè)擦除/寫(xiě)入操作的時(shí)間約為5s.擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執行一個(gè)擦除/寫(xiě)入操作最多只需要4ms. 讀操作：NOR的讀速度比NAND稍快一些.

　　(13)文件系統比較

　　Linux系統中采用MTD來(lái)管理不同類(lèi)型的Flash芯片，包括NandFlash和NorFlash.支持在Flash上運行的常用文件系統有cramfs、jffs、jffs2、yaffs、yaffs2等.cramfs文件系統是只讀文件系統.如果想在Flash上實(shí)現讀寫(xiě)操作，通常在NorFlash上我們會(huì )選取jffs及jffs2文件系統，在NandFlash上選用yaffs或yaffs2文件系統.Yaffs2文件系統支持大頁(yè)(大于512字節/頁(yè))的NandFlash存儲器.

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