JesFS Flash文件系统：高效管理小型控制器大数据存储新方案

引 言

文件在现代电子设备中非常重要。处理器通过操作系统对不同类型的文件进行访问，但是在嵌入式领域和低功耗定制 Linux解决方案中，相关的方案比较少见。很多嵌入式开发者习惯把数据放在代码中，导致每次改动都需要升级固件代码。JesFS嵌入式文件系统就是要解决这类问题——专门为小型低功耗设备设计。 电影《终结者2-审判日》中，机器人T 800(施瓦辛格)说过“我有详细的文件”，以此来表明他是一个强大的战斗机器人。这里说到了关键:文件无疑是高科技产品的关键元素! 这一点，同样适用于所有的嵌入式系统。这篇文章将为您介绍一个合适的嵌入式文件系统。

文件与代码

文件本质是一个基本的容器，用来组织和传输各种类型的信息。大到服务器，小到单片机，都可以理解这些信息，操作系统针对不同的文件提供了接口。 在嵌入式系统领域和低功耗定制 Linux解决方案中，相关方案很少。在很多重要项目中，代码和数据没有分离，常常导致项目失败。举例来说，系统参数放在代码里很容易，但是如果以后想修改，每次都必须升级固件。然而，现在通常的做法是在线更新。 笔者从业于高海拔地区的科学测量和相关仪器领域，几个月前有一次相关的经历:在海拔3000米的山上，为一个老旧设备更改配置。经过精疲力尽的挖掘后，笔者认为通过互联网更新，比在-20 ℃的雪地中挖洞更新要容易得多。最终，笔者决定使用文件系统。 虽然有很多嵌入式文件系统，但这些文件系统大多只适配它们所在的领域。所以笔者决定自己开发一个。最终，JesFS(Jo’sembeddedFileSystem 的缩写)诞生了，面向微小系统和极低功耗的应用。

JesFS

设计JesFS最重要的标准就是可靠性和小封装，同样重要的还有数据完整性和远程固件升级。配合JesFS，还需要开发JesFS的bootloader，帮助处理器读取 AES加密固件。bootloader 和JesFS完全独立，这里不做讨论。Jurgen Wickenhauser 目前全部精力都在 JesFS 上。JesFS 已经是一个重要不可或缺的工具。JesFS在GPL v3[1]协议下开源。

参考实例

JesFS使用标准C编译器编译。接下来将会在TI的CC1310 开发板上展示一些功能。CC1310 基于32位ARM Cortex - M3架构，具有868/915 MHz无线传输功能。

CC13xx/26xx系列处理器的Launchpad开发平台物美价廉，配备TI的CCSTUDIO[3]IDE，可以进行源代码调试。CC13xx/26xx开发平台配备了一片1MB的串行Flash存储器，大小只有2mmx3mm! 免费的TI-RTOS可以提供一个工业级的实时操作系统以及TI大量的技术支持。JesFS 的源代码既可以在Launchpad开发平台上编译，也可以使用 Windows或Linux平台的标准C编译器进行编译，但是需要具有模拟Flash存储器驱动的支持。

小型 Flash存储芯片

嵌入式系统通常不需要太多的存储空间，1~16 MB 就足够了。Flash存储芯片现在可以制造得非常小：1 MB Flash可以小到1.24 mmx1.29 mm（见图2）。

JesFS文件系统本身占用的空间非常小，仅仅占用RAM的200字节就可以运行得很好。还有一方面是经济原因：许多大型文件系统使用RAM作为缓存，不仅很复杂，占用很多的存储空间，而且切换操作模式（比如休眠或关机）会很慢。Jes-FS设计之初就考虑到低功耗的问题，可以在几毫秒内实现休眠和唤醒。而且，串行存储器在睡眠模式下消耗电流小于1μA，非常适合电池供电设备。

针对 loT 的独有功能

JesFS的一个基本特性是：可以把嵌入式系统的文件通过互联网自动地镜像存储到服务器，服务器因此具有嵌入式文件系统的一个实时更新的副本。这个特性也可以用在分钟级获取数据的场景，但是为了降低功耗，一般不会频繁通过互联网对比更新服务器副本（通常几小时一次）。 即使传输了新文件、远程升级了固件，只要有需要，JesFS就可以通过特殊标志位（时间戳和CRC32 哈希校验）很容易地从服务器上找回文件。如果展开这些特殊的用法将有无数种可能的应用场景。所有的特性和脚本，作者都经过仔细测试。关于FesFS文件系统功能的详细描述，可以参考相关链接[1]。

解决目标：未关闭的文件

对大多数文件系统来说，如果没有打开文件的写入权限，就只能读文件。那么问题来了：一个异常可能导致未关闭文件，甚至最坏的情况下导致数据丢失。而JesFS不会出现这种情况，文件在任何时候都可以打开读写，而且不会导致数据丢失。这个特性非常适合日志文件，例如，嵌入式系统存储新数据，同时服务器更新到最新数据。

JesFS 的限制

JesFS甩掉沉重的负担后，访问次数还没有调整到最优。未来还将对未关闭文件做一些小的调整和限制。因为是针对资源有限的小型嵌入式系统设计的简单文件系统，所以对文件名长度进行了限制，最多21个字符。为了减轻CPU负担，也没有实现索引数据。总体来说，就是一个扁平化的文件系统。针对小型系统的实际应用，这些限制不应引起任何相关的限制。JesFS文件系统的简洁和易用，可以大大提高效率。作者本人就是最严格的测试者。

串行 Flash存储器

设计软件细节之前，先介绍几个关于Flash存储器的基本知识。Flash存储器有许多种类型，在嵌入式系统领域主要会用到串行NOR Flash芯片。为了能让JesFS更好地适配硬件，有些需要详细说明，同时也涉及到一些底层驱动的开发。 总体来说，几乎所有相关的Flash存储器都有类似的结构，只是在容量、静态电流、最大时钟速率、数据位数方面有所不同。所有串行 NOR Flash芯片都有6个共同特性： ①空存储器，默认存储位为‘1’; ②写入数据时，根据需要把存储位‘1’设置成‘0’; ③相反，擦除操作把数据位从‘0’恢复成‘1’; ④每一个写操作可以写入1~256字节数据，大概需要1 ms; ⑤数据以块或扇区或全部擦除，扇区通常4KB，擦除一个扇区需要20~200 ms（扇区擦除通常很少用到）; ⑥擦除操作是有次数限制的，通常不超过100 000次。 访问串行 Flash 芯片很容易，只需要进行4步操作（见图): ①SELECT引脚电平从1到0后的几纳秒内，芯片激活； ②通过CLK引脚（时钟）和DIN引脚（数据）写入数据和命令； ③通过CLK（时钟）引脚和DOUT（数据／状态）引脚读取数据和状态； ④SELECT 引脚电平从0到1，结束操作。

图  8脚串行 Flash 引脚分配

串行 Flash 芯片最大时钟速率通常很高（>50MHz)，多数微处理器的硬件驱动不能充分利用。这里参考设计平台使用的CC1310处理器的12 MHz时钟速率，可以达到很不错的1MB/s的数据吞吐量。 下面推荐适用于小型系统的通用存储芯片，虽然有些有兼容的替代芯片，但替代芯片功耗可能会比较高： ◆MX25R8035F (1 MB) to MX25R1635F (16 MB) ◆W25Q80DL (1 MB) to W25Q128JV (16 MB) ◆GD25Q16 (2 MB) 

黑盒Demo：家用飞行记录仪

许多嵌入式设备在几年的生命周期内都可以无错误运行，但偶尔也会产生错误。产生错误时，我们会问：“发生了什么？”要回答这个问题，我们需要有足够的历史日志数据分析和诊断。举例来说，内部参数（如温度、电压、湿度）是否发生了改变？是否有人进行了调整？之前是否有过类似的问题？这些问题与飞机上的黑盒子相似。 然而，嵌入式系统通常没有足够的空间做这些。不过，JesFS文件系统的未关闭文件可以稳定、高效地记录诊断数据。JesFS可以避免产生僵尸数据，即使是在复位或断电的极端情况下，也可以写入数据。 依靠两个文件来实现这一目的： ◆ 主文件Data. pri 可以写入最大数据长度为HIS-TORY定义的长度； ◆ 改名为辅助名Data. sec; ◆ 新创建的辅助文件替换原有的辅助文件。 通过定义HISTORY，可以得到特定长度的历史数据，从而确保历史数据的历史记录数量是一个常量，且不会超过2倍的历史记录。通过检索数据来获得正确的顺序，首先是Data. sec，然后是 Data. pri。 可以在相关链接［1］中找到针对各种编译器（PC和嵌入式）的BlackBox演示的完整的文档化源代码，包括Jes-FS的源代码文件。这里打印的清单显示了代码的摘录：

***************************************

*log_blackbox(char * logtext， uint16_t len)

*Thisfunktion logs one line to the the history

*****************************************

int16_tlog_blackbox(char* logtext， uint16_tlen){

FS_DESCfs_desc，fs_desc_sec; //2 JesFs file descriptors int16_t res;

res=fs_start(FS_START_RESTART);

//(fast) WAKE JesFs (might be sleeping)if(res) return res;

//Flags (seedocu) : CREATE File if not exists and open in

//RAW mode，(RAW needed because in RAW -Mode file is not truncated if existing)

res=fs_open( &fs_desc，"Data， pri"，SF_OPEN_CREATE SF_OPEN_RAW);

if(res)return res;

//Place (internal) file pointer to the end of the file to allow write fs_read(&fs_desc，NULL，0xFFFFFFFF);

//(dummy) read as much as possible

//write the new data (ASCII， from function rguments) to

//the file

res=fs_write(&fs_desc，logtext，tlen);

if(res) return res;

//Show what was written

uart_printf("Pos:%u Log: %s"，fs_desc. file_len， "logtext);

//Now make a file shift if more data than defined in HISTORY if(fs_desc. file_len>= HISTORY){

uart_printf("Shift 'Data. pri' ->'Data. sec' ");

//Optionally delete and (butCREATE in any case) backup file

res= fs_open (&fs_desc_sec，"Data. sec"， SF_OPEN if(res)return res;CREATE);

if(res) return res;

//rename (full) data file to secondary file

res=fs_rename( &fs_desc， &fs_desc_sec);

if(res) return res;

｝

fs_deepsleep();  //Set Filesystem to UltraLowPowerMode

return0;  //OK

驱动程序基础

JesFS使用上层和底层驱动程序。底层驱动程序针对串行Flash，再次被划分为通用命令 JesFS_ml.c和串行SPI的硬件控制部分（这里是jesfs_tirto. c)。上层驱动程序在相关链接［1］中有详细描述。 闪存的处理非常简单（大多数闪存芯片使用的特殊命令在这里不使用），但是很少有命令是相关的，幸运的是，对于几乎所有可用的串行 Flash 芯片都是相同的。对于更大的容量（≥32MB)，也只是把地址从3字节扩展到了4字节。 源代码文件更精确地记录了命令。以下是十六进制记数法的命令概述。 9Fh：读取一个3字节的ID（十六进制），其中对制造商、类型和容量（十六进制2的乘方）进行了编码。对于在CC1310中的MX25R8035芯片，这个ID是“C22814”，其中C2h=Macronix，28h=Type， 14h=20=220=1 MB。 B9h：让闪存芯片进入深度睡眠。 ABh：在5~50 μs内唤醒闪存芯片。 03h：读操作。首先，准备读取3字节地址（对32 MB 的容量来说是4字节），读取完数据后，cs＃变高。 06h：必须在每次写／删除操作之前发送。 02h：写操作。首先发送3或4个地址字节，然后是1~256字节数据，不超过256字节。 20h：删除扇区。首先发送3或4个地址字节，然后删除相关的4 KB扇区。 05h：测试之前的写／删除命令是否已经完成。

Flash中的组织结构

实现的细节和图形可以在JesFS[1]的文档和源代码中找到，这里只画了结构。JesFS将闪存分为3种不同的扇区类型。每个逻辑扇区与闪存芯片中的一个物理4KB扇区对齐。因此，一个容量为1 MB的闪存芯片最多可以存储255个文件。 扇区0具有特殊的意义，因为它用作文件索引。每个索引条目占用4个字节。因此，可以将索引视为一个包含1024个"无符号长整数"的数组。对于0扇区，必须遵守以下规定： ◆ 索引扇区0仅在格式化期间删除； ◆ 前3个条目包含格式化信息 Magic value、Flash ID （参见命令9Fh）和格式化日期（从 1970.1.1开始的Unix秒数），FFFF FFFFh值被计算为无效／未格式化； ◆ 其余的1021项是文件heads的起始地址，所有这些项必须能被212=4096（扇区大小）整除（JesFS 会检查）。理论上，最多可以有1021个文件。 对于1至n扇区有5种可能： ◆ 扇区为空（包含FFh值的完整字节）; ◆ 扇区是活跃文件的头； ◆ 扇区是指向已删除文件的头； ◆ 扇区是活跃文件的一部分； ◆ 扇区是活跃文件中已删除的部分。 head是索引指向的扇区。因此，对heads进行特殊处理是很重要的，因为只有在格式化时才会删除索引中的值。每个扇区总是以3个（或12个 heads)"unsigned long"类型的值开始： ◆ 使用magic value（头，文件或空）; ◆ 此区块的所有者（引用头部，如果该块本身是头部，则引用FFFF FFFFh值）; ◆指向该文件的下一个区块的指针，或者FFFF FFFFh（如果这是链的最后一个块）; 然后要么是文件数据，要么是一个head: ◆文件长度，以字节或FFFF FFFFh表示； ◆ 可选的CRC32 哈希校验（如果在CRC32 模式下写入并关闭的）; ◆ 文件的创建日期（自1970.1.1起，以Unix秒为单位）; ◆ 文件名称（最多21个字符，不包括最终字符0h); ◆文件的打开标志（1字节）; ◆ 一个被保留的空字节。 一个 head总是占用48个字节，一个普通的数据扇区占用12个字节，起始部分是管理信息。其结构如图所示。

图 索引总是指向文件头的扇区0 

删除扇区仅仅做个标记。所使用的Magic values是这样选择的：通过使用“0”进行额外的覆盖（发生得非常快）来主动删除状态。只有当一个扇区确实需要，并且没有空闲扇区的时候，才能通过命令20h删除，这需要更多的时间。

磨损平衡和未关闭文件

使用Flash时，所有扇区的使用频率都应该相等，这一点非常重要，因为通常只能擦写约10万次。所以你可以在很短的时间内在一个循环中“杀死”一个扇区。这种避免策略称为“磨损平衡”。对于 JesFS，这意味着一个文件（由于索引中的固定条目）最多可以被删除100 000次。乍一看，擦写次数似乎很多，但对于嵌入式系统来说，这个限制在某些应用程序中肯定是有问题的。另一方面，应该清楚，即使每小时每个扇区擦写一次，也会经过11年。对大多数项目来说，还是很充裕的。 为了尽可能少地删除扇区，让活跃或使用过的文件保持打开也是一个办法；被删除的字节的值总是FFh。如果有问题的文件从未使用这个值（例如，只保存 ASCII数据或用转义序列替换FFh)，也可以通过简单读取（最多一个FFh字符）来确定文件的结尾。JesFS有一个非常快的子程序，可以在几毫秒内找到一个16 MB文件的结尾。

CRC-32哈希和数据完整性

只有很少的文件经常更改。因此，JesFS在写（和读）一个文件时可以加CRC-32校验，与“文件关闭”中头部的长度一起记录下来。通过这种方式，可以在任何时候通过简单地读取文件来检查文件的完整性。所使用的CRC-32算法是行业标准（ISO 3309等），甚至得到了PHP（一种常见的服务器脚本语言）的支持。 在JesFS开始时（或者在系统每次唤醒之后）执行一个全面的测试来检查JesFS的基本完整性。JesFS非常注意 bug。演示的源代码中还包含一项功能，可以检查完整的JesFS“心脏和肾脏”（即所有扇区和文件）。

引导程序和固件升级

由于JesFS的结构非常简单，即使是一个简单的引导程序也可以轻松地读取文件并测试完整性。但是，引导程序通常只绑定到特定的CPU架构或控制器类型。

测试 JesFS

测试JesFS的最简单方法是使用CC13xx/26xx系列的launchpad开发平台，这些板卡大约30欧元。在Github 上的JesFS文档中，还可以找到一个简单的控制台应用程序的手册。 除此之外，还可以在运行 Windows或Linux的PC上编译JesFS，在RAM中模拟Flash芯片。生成的image文件完全兼容Flash芯片。如果微控制器的数据格式是lit-tle-endian的，可以很容易地通过编程器进行传输或读取，大多数 ARM SoC（如 MSP430、MSP432等）都支持。

下一步做什么？

根据读者的反馈，这个报告仅仅是一个开始。文件系统不是一件简单的事情，但是如果JesFS能够成为一种通用的工具，作者将会非常高兴，并深信它具有惊人的潜力。 当然，JesFS不仅限于CC13xx/26XX系列的控制器，而且在原则上几乎适用于 16位以上的所有处理器。Jurgen Wickenhauser 目前正在为MSP430系列移植Jes-FS，还有许多可以想到的与JesFS结合的项目，特别是无处不在的物联网提供了无限的可能性。如果你真的感兴趣，可以通过作者的电子邮件（joembedded@gmail. com)联系。

相关链接

[1] JesFS V1.1 auf Github: https://github. com/joem-bedded/JesFS

[2] TI-Launchpad: www,ti,com/tool/LAUNCHXL-CC1310

[3] CCSTUDIO:www.ti. com/tool/CCSTUDIO

[4] Macronix Flash: www. macronix. com/en - us/prod-ucts/NOR - Flash/Serial-NOR - Flash

Von Wickenhauser：从小就对电子产品充满热情。在学习了电气工程之后，于 1992 年把爱好变成了职业，在德国南部从事科学环境测量仪器方面的开发工作。

作者：Von Wickenhäuser

译者：透镜

审核编辑：黄飞