YAFFS2在嵌入式系统中的实现
随着嵌入式技术的不断发展，嵌入式系统的应用越来越广泛，人们对于嵌入式系统功能的要求也越来越高，相应地其大容量数据存储和管理变得越来越重要。相对硬盘而言，FLASH等非易失性存储器具有体积小、功耗低、成本低、抗震强等优点，已在嵌入式系统中被大量作为存储设备使用，而大容量非易失数据存储方案的应用还存在成本和软件支持方面的问题需要克服。大页NAND FLASH具有写入速度快、容量大、成本低等优点，适合于需要进行数据存储的场合。YAFFS2作为专门支持大页NAND FLASH的文件系统在U-Boot和嵌入式Linux上一直没有得到正式支持。本文结合部队应用实际，在嵌入式Linux系统中实现了大页NAND FLASH和YAFFS2文件系统的结合，为装备的数据存储处理搭建起了小型的智能化平台。本文内容安排如下，首先介绍系统存储方案特点和YAFFS2数据在大页NAND FLASH上的储存方式，然后详细叙述系统移植和文件系统制作过程，最后对移植结果进行测试。
l 系统存储方案设计
某国产化设备用于取代随装多台套设备，除完成原设备的数据记录功能外，还需进行数据翻译、判读，数据分析处理，二维显示和三维动态复现等功能；同时，需存储装备长时间工作输出的所有原始数据信息，类似黑匣子功能，以供事后分析使用。具有程序量大，数据需实时存储，且数据存储量大的特点。板上存储设备包括SDRAM和FLASH，SDRAM为易失性存储器，作为程序的运行空间和记录数据的缓存空间；FLASH为非易失性存储器，用于存储系统软件程序和记录数据。
嵌入式系统中应用的FLASH主要有NORFLASH和NAND FLASH两种。NOR FLASH的块大小范围为64～128 KB，其容量一般为l～32 MB，可作为嵌入式设备的启动设备，适合于代码存储。NAND FLASH的块大小范围为8～64 KB，容量一般为8～512 MB，适合于数据存储。它们之间的主要差别有以下几点。
(1)速度。在写数据和擦除数据时，NANDFLASH支持整块擦写操作，其速度比NOR FLASH要快得多，两者相差近千倍；读取时，NAND FLASH要先向芯片发送地址信息进行寻址才能开始读写数据，而NOR FLASH的操作则是以字或字节为单位进行的，直接读取，所以读取数据时，NOR FLASH效率更高。
(2)容量和成本。NOR FLASH的每个存储单元与位线相连，增加了芯片内位线的数量，不利于存储密度的提高。在面积和工艺相同的情况下，NANDFLASH的容量比NOR FLASH要大得多，生产成本更低。
(3)易用性。NAND FLASH的I／O端口采用复用的数据线和地址线，必须先通过寄存器串行地进行数据存取，各个产品或厂商对信号的定义不同，增加了应用的难度；NOR FLASH有专用的地址引脚来寻址，较容易与其他芯片进行连接，另外还支持片上执行XIP(eXecute In Place)，应用程序可以直接在FLASH内部运行，简化了产品设计。
(4)可靠性。由于FLASH的电器特性，在读／写数据过程中，会产生比特位反转，造成一位或几位数据错误。NAND FLASH位反转的几率比NOR FLASH高，在使用时需要使用EDC／ECC算法。NANDFLASH还可能会随机分布坏块。
(5)耐久性。FLASH由于写入和擦除数据时会导致介质的氧化降解，导致芯片老化，所以并不适合频繁地擦写，NAND FLASH的擦写次数是100万次，而NOR FLASH只有10万次。
基于以上分析，为了满足经常性的进行实时快速大容量数据存储和较长使用寿命的要求，采用NANDFLASH来存储操作系统和数据，其复杂操作、比特位反转和坏块等问题可以通过文件系统解决。NORFLASH因为出现位反转和坏块的几率小，并且读取速度快，用来存储启动程序，能保证正常启动系统的前提下提高设备反应时间。整个系统的存储空间分配如图1所示。
整个系统存储空间由SDRAM，NOR FLASH，NAND FLASH组成。其中，sDRAM分成程序空间(Prog Space)和数据空间(Data Space)。NORFLASH存储系统启动程序U-Boot；NAND FLAsH分成程序空间(Prog Space)和数据空间(Data Space)，程序空间中固化存储Linux操作系统和YAFFS2文件系统及相应的应用程序，在U-Boot的控制下，通过页传输方式读入SDRAM程序空间中；数据空间中存储来自前端的原始数据，该数据在SDR-AM中打包，以页方式将数据写入NAND FLASH中，提高数据写入速度。
对小页NAND FLASH的文件系统支持已有比较多的编程实例可借鉴，而对本文使用的大页NANDFLASH的编程支持还没有完整的说明。因此，移植嵌入式操作系统，以建立对大页NAND FLASH支持的文件系统是该存储方案需解决的关键问题。
2 YAFFS／YAFFS2文件系统分析
目前广泛应用的嵌入式文件系统有JFFS／JFFS2(JournaIling FLASH File Systern) 和 YAFFS／YAFFS2(Yet Another FLASH File Syst-em)。JFFS／JFFS2文件系统主要针对NOR FLASH设计，在NAND FLASH上性能不佳。YAFFS／YAFFS2文件系统是专门针对NAND FLASH设计，其具有可写入、修改并能永久保存文件的特性，并提供了损耗平衡和掉电保护。与JFFS相比，它减少了一些功能，因此速度更快、占用内存更少。此外YAFFS自带NANDFLASH芯片驱动，并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和VFS，直接对文件进行操作。
YAFFS文件系统已发展为两个版本，YAFFS和YAFFS2。YAFFS版本只支持512 B的小页NANDFLASH。而YAFFS2作为YAFFS的升级版，在向下兼容小页NAND FLASH的同时也能够更好地支持2 KB的大页NAND FLASH。YAFFS2的性能与YAFFS相比有很大提高，表1为YAFFS，YAFFS2(512 B×8)，YAFFS2(2 KB×8)三者性能比较，从测试结果可以看出，YAFFS2和2 KB大页NANDFLASH的结合更好地提高了存储器操作效率。
YAFFS2文件系统在设计时就充分考虑了大页NAND FLASH的结构，根据大页NAND FLASH以页面为单位存取的特点，将文件组织成固定大小的页，利用大页NAND FLASH提供的每个页面(2 112 B，其中前2 048 B存储数据)64 B的备用空间(SpareData，OOB)来存放ECC和文件系统的组织信息，这样不仅能够实现错误检测和坏块处理，还能够提高文件系统的加载速度。以三星公司的K9F1G08UOA的NANDFLASH为例，它的单片存储容量为128 MB，由1 024 block组成，每个块包含64 page，每个页均包含一个2 048 B的数据区和64 B的备用空间，总共包含2 112 B。结构如图2所示。
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