玩转Linux，先把文件系统搞懂

Linux 支持多种文件系统，包括 ext2 、 ext3 、 vfat 、 ntfs 、 iso9660 、 jffs 、 romfs 和 nfs 等，为了对各类文件系统进行统一管理， Linux 引入了虚拟文件系统 VFS（Virtual File System） ，为各类文件系统提供一个统一的操作界面和应用编程接口。

Linux 下的文件系统结构如下：

Linux 启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。

不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据 存储 设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在嵌入式 Linux 应用中，主要的 存储 设备为 RAM（DRAM， SDRAM） 和 ROM（ 常采用 FLASH 存储器 ） ，常用的基于存储设备的文件系统类型包括： jffs2， yaffs， cramfs， romfs， ramdisk， ramfs/tmpfs 等。

1. 基于 FLASH 的文件系统

Flash （ 闪存 ） 作为嵌入式系统的主要存储媒介，有其自身的特性。 Flash 的写入操作只能把对应位置的 1 修改为 0 ，而不能把 0 修改为 1（ 擦除 Flash 就是把对应存储块的内容恢复为 1） ，因此，一般情况下，向 Flash 写入内容时，需要先擦除对应的存储区间，这种擦除是以块 （block） 为单位进行的。

闪存主要有 NOR 和 NAND 两种技术 （ 简单比较见附录 ） 。 Flash 存储器的擦写次数是有限的， NAND 闪存还有特殊的硬件接口和读写时序。因此，必须针对 Flash 的硬件特性设计符合应用要求的文件系统；传统的文件系统如 ext2 等，用作 Flash 的文件系统会有诸多弊端。

在嵌入式 Linux 下， MTD（Memory Technology Device， 存储技术设备 ） 为底层硬件 （ 闪存 ） 和上层 （ 文件系统 ） 之间提供一个统一的抽象接口，即 Flash 的文件系统都是基于 MTD 驱动层的 （ 参见上面的 Linux 下的文件系统结构图 ） 。使用 MTD 驱动程序的主要优点在于，它是专门针对各种非易失性存储器 （ 以闪存为主 ） 而设计的，因而它对 Flash 有更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读 / 写操作接口。

顺便一提，一块 Flash 芯片可以被划分为多个分区，各分区可以采用不同的文件系统；两块 Flash 芯片也可以合并为一个分区使用，采用一个文件系统。即文件系统是针对于存储器分区而言的，而非存储芯片。

（1） jffs2

JFFS 文件系统最早是由瑞典 Axis Communications 公司基于 Linux2.0 的内核为嵌入式系统开发的文件系统。 JFFS2 是 RedHat 公司基于 JFFS 开发的闪存文件系统，最初是针对 RedHat 公司的嵌入式产品 eCos 开发的嵌入式文件系统，所以 JFFS2 也可以用在 Linux， uCLinux 中。

Jffs2： 日志闪存文件系统版本 2 （Journalling Flash FileSystem v2）

主要用于 NOR 型闪存，基于 MTD 驱动层，特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃 / 掉电 安全 保护，提供 “ 写平衡 ” 支持等。缺点主要是当文件系统已满或接近满时，因为垃圾收集的关系而使 jffs2 的运行速度大大放慢。

目前 jffs3 正在开发中。关于 jffs 系列文件系统的使用详细文档，可参考 MTD 补丁包中 mtd-jffs-HOWTO.txt 。

jffsx 不适合用于 NAND 闪存主要是因为 NAND 闪存的容量一般较大，这样导致 jffs 为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大，另外， jffsx 文件系统在挂载时需要扫描整个 FLASH 的内容，以找出所有的日志节点，建立文件结构，对于大容量的 NAND 闪存会耗费大量时间。

（2） yaffs ： Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2 是专为嵌入式系统使用 NAND 型闪存而设计的一种日志型文件系统。与 jffs2 相比，它减少了一些功能 （ 例如不支持数据压缩 ） ，所以速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。另外，它还是跨平台的文件系统，除了 Linux 和 eCos ，还支持 WinCE， pSOS 和 ThreadX 等。

yaffs/yaffs2 自带 NAND 芯片的驱动，并且为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的 API ，用户可以不使用 Linux 中的 MTD 与 VFS ，直接对文件系统操作。当然， yaffs 也可与 MTD 驱动程序配合使用。

yaffs 与 yaffs2 的主要区别在于，前者仅支持小页 （512 Bytes） NAND 闪存，后者则可支持大页 （2KB） NAND 闪存。同时， yaffs2 在内存空间占用、垃圾回收速度、读 / 写速度等方面均有大幅提升。

（3） Cramfs ： Compressed ROM File System

Cramfs 是 Linux 的创始人 Linus Torvalds 参与开发的一种只读的压缩文件系统。它也基于 MTD 驱动程序。

在 cramfs 文件系统中，每一页 （4KB） 被单独压缩，可以随机页访问，其压缩比高达 2:1， 为嵌入式系统节省大量的 Flash 存储空间，使系统可通过更低容量的 FLASH 存储相同的文件，从而降低系统成本。

Cramfs 文件系统以压缩方式存储，在运行时解压缩，所以不支持应用程序以 XIP 方式运行，所有的应用程序要求被拷到 RAM 里去运行，但这并不代表比 Ramfs 需求的 RAM 空间要大一点，因为 Cramfs 是采用分页压缩的方式存放档案，在读取档案时，不会一下子就耗用过多的内存空间，只针对目前实际读取的部分分配内存，尚没有读取的部分不分配内存空间，当我们读取的档案不在内存时， Cramfs 文件系统自动计算压缩后的资料所存的位置，再即时解压缩到 RAM 中。

另外，它的速度快，效率高，其只读的特点有利于保护文件系统免受破坏，提高了系统的可靠性。

由于以上特性， Cramfs 在嵌入式系统中应用广泛。

但是它的只读属性同时又是它的一大缺陷，使得用户无法对其内容对进扩充。

Cramfs 映像通常是放在 Flash 中，但是也能放在别的文件系统里，使用 loopback 设备可以把它安装别的文件系统里。

（4） Romfs

传统型的 Romfs 文件系统是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统，不支持动态擦写保存，按顺序存放数据，因而支持应用程序以 XIP（eXecute In Place ，片内运行 ） 方式运行，在系统运行时，节省 RAM 空间。 uC linux 系统通常采用 Romfs 文件系统。

其他文件系统： fat/fat32 也可用于实际嵌入式系统的扩展存储器 （ 例如 PDA， Smartphone， 数码相机等的 SD 卡 ） ，这主要是为了更好的与最流行的 Windows 桌面操作系统相兼容。 ext2 也可以作为嵌入式 Linux 的文件系统，不过将它用于 FLASH 闪存会有诸多弊端。