在C51系统上实现YAFFS文件系统

    随着NAND Flash存储器作为大容量数据存储介质的普及，基于NAND闪存的文件系统YAFFS(Yet Another Flash File System)正逐渐被应用到各种嵌入式系统中。本文将详细阐述YAFFS文件系统在C51系统上的实现过程。

1  NAND Flash的特点

　　非易失性闪速存储器Flash具有速度快、成本低、密度大的特点，被广泛应用于嵌入式系统中。Flash存储器主要有NOR和NAND两种类型。NOR型比较适合存储程序代码;NAND型则可用作大容量数据存储。NAND闪存的存储单元为块和页。本文使用的Samsung公司的K9F5608包括2 048块，每一块又包括32页，一页大小为528字节，依次分为2个256字节的数据区，最后是16字节的备用空间。

　　K9F5608具有以下特点： 以页为单位进行读/写操作，而擦除操作以块为单位，读、写和擦除操作均通过命令完成；不能字节擦除，在每次改写操作之前需要先擦除一整块；出厂时有一定比例的坏块存在；每一块的擦除次数有限，为10万次左右[1]。

2  YAFFS文件系统简介

　　YAFFS是第一个专门为NAND Flash存储器设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备；并且是在GPL（General Public License）协议下发布的，可在其网站免费获得源代码。

　　YAFFS中，文件是以固定大小的数据块进行存储的，块的大小可以是512字节、1 024字节或者2 048字节。这种实现依赖于它能够将一个数据块头和每个数据块关联起来。每个文件（包括目录）都有一个数据块头与之相对应，数据块头中保存了ECC(Error Correction Code)和文件系统的组织信息，用于错误检测和坏块处理。充分考虑了NAND Flash的特点，YAFFS把这个数据块头存储在Flash的16字节备用空间中。当文件系统被挂载时，只须扫描存储器的备用空间就能将文件系统信息读入内存，并且驻留在内存中，不仅加快了文件系统的加载速度，也提高了文件的访问速度，但是增加了内存的消耗。

　　为了在节省内存的同时提高文件数据块的查找速度，YAFFS利用更高效的映射结构把文件位置映射到物理位置。文件的数据段被组织成树型结构，这个树型结构具有32字节的节点，每个内部节点都包括8个指向其他节点的指针，叶节点包括16个2字节的指向物理地址的指针。YAFFS在文件进行改写时总是先写入新的数据块，然后将旧的数据块从文件中删除。这样即使在修改文件时意外掉电，丢失的也只是这一次修改数据的最小写入单位，从而实现了掉电保护，保证了数据完整性。

　　结合贪心算法的高效性和随机选择的平均性，YAFFS实现了兼顾损耗平均和减小系统开销的目的。当满足特定的小概率条件时，就会尝试随机选择一个可回收的页面；而在其他情况下，则使用贪心算法来回收最“脏”的块[2]。

　　YAFFS文件系统是按层次结构设计的，分成以下4部分： yaffs_guts.c，文件系统的主要算法，这部分代码完全是用可移植的C语言编写的；yaffs_fs.c，Linux VFS层的接口；NAND 接口，yaffs_guts 和NAND 内存访问函数之间的包装层，例如调用Linux mtd 层或者RAM模拟层；可移植函数，服务的包装函数。最重要的一点是，为了获得更好的移植性，YAFFS提供直接调用的模式，这才使得我们有机会来实现YAFFS文件系统在C51系统上的移植。

3  移植过程

　　可在 获得direct源码，包括以下几个文件及其头文件。{{分页}}

　　◆ yaffscfg.c： 设置各种设备参数和系统参数。
　　◆ yaffsfs.c： 主要实现直接调用的接口函数，如打开文件、写文件和关闭文件等。 使用时在应用程序中包含其头文件即可。
　　◆ yaffs_flashif.c： NAND Flash操作函数接口，就是直接对存储器操作的底层函数。为了测试，此文件中用RAMDISK模拟的方法实现了对Flash存储器的操作。实际应用中，需要修改其中对Flash硬件操作函数的定义，包括yflash_EraseBlockInNAND()、yflash_WriteChunkToNAND()、yflash_ReadChunkFromNAND()和yflash_InitialiseNAND()。
　　◆ yaffs_guts.c： YAFFS文件系统的主要实现算法。
　　◆ nand_ecc.c:： ECC算法。
　　◆ yaffs_ramdisk.c:： RAMDISK支持代码。
　　◆ yaffs_fileem.c： 用主机上的一个文件来模拟Flash存储器，仅用于测试。
　　◆ dtest.c:： 直接调用文件系统的测试函数。

　　获得源码以后，移植的过程可以分为2步：①  根据自己的需要进行裁减;②  将代码向C51风格转化。

3.1  裁减

　　YAFFS是一个功能强大的文件系统，考虑到C51系统的程序代码存储器和RAM资源都很有限，而应用中可能不需要某些文件操作的功能，所以有必要对这个文件系统进行裁减。裁减包括代码裁减和数据结构的修改。

　　首先，将用来测试的yaffs_ramdisk.c、yaffs_ramdisk.h、yaffs_fileem.c和interface.h这几个文件去掉，并在yaffscfg.c加上#include yaffs_flashif.h。

　　本系统中，只是对K9F5608中的3个数据库文件进行读/写，一级目录足够，单用户不存在操作权限问题，简单的文件存储不涉及连接（Linux类操作系统文件间的关系）问题，所以可在系统中删除与目录操作、操作权限以及文件连接相关的操作函数。

　　在yaffsfs.c及其头文件中包括（省略yaffs_前缀）： readlink(), DumpDir(), readdir(), opendir(), lstat(), stat(), freespace(), chmod(), mkdir(), rename()，link()， closedir(), FollowLink(), fstat(), listclear(), fchmod(),sylink()和mknod()。

　　在yaffs_guts.c及其头文件中包括（省略yaffs_前缀）： Renameobject(), mknodedirectoty(), mknodSymLink(), mknodSpecial(), Link(), GetAttributes()， GetSymLinkAlias(), root(), LostNFound(), GutsTest(), DumpObject(), GetNumberofFreeChunk()， GetObjectLInkCount()和GetEquivalentObject()。

　　然后根据自己的需要进行数据结构修改，与上文提到的目录操作、操作权限以及文件连接相关的数据结构（如Uid、Gid、nlink等）对我们来说就没有意义了，因此需要修改相关的数据结构。为了节省内存，还要修改一些宏定义的数据常量，例如同时在运行的句柄数目和文件名的最大长度等。

　　裁减工作最好能在一台装有Linux操作系统的机器上进行，可以边裁减，边利用模拟方式来检查是否能实现自己所需的功能。

3.2  向C51风格转化

　　YAFFS文件系统是在Linux环境下利用开发用户程序的C语言开发的。它与C51是有些差别的，主要有：

　　◇ C51不支持__inline__函数修饰符，可以将其宏定义为空；
　　◇ u8、u16、u32都需要重新宏定义成为C51的数据类型unsigned char、unsigned int和unsigned long；
　　◇ off_t定义为long。

　　在YAFFS源代码中有用data和bit作为变量的，而在C51中这些都是关键词，须将其替换。{{分页}}

　　在YAFFS源代码中yaffs_Device结构体的定义中使用了带参数的函数指针，通过调用该指针指向的函数来对Flash硬件进行操作，而C51中通过寄存器函数指针来调用函数不能传递实际参数，除非所得参数可在寄存器间传递。因此这里将yaffs_Device结构体定义中的函数指针去掉，而直接调用yaffs_if.c中的Flash接口函数。

　　向C51风格转化时，最好是在Keil集成开发环境中一边修改，一边编译，发现错误后再进行修改。当编译器提示有多个错误时，要从第一个错误开始修改；可能前面的错误修改完毕，后面的错误就不再是错误了。

4  C51系统下的YAFFS使用实例

　　下面的程序代码是设计中的对DBF数据库文件操作的关键代码。

yaffs_StartUp();//设置一些参数，包括各分区在Flash中的起始块和结束块的地址、预留块数等
yaffs_mount("/flash"); //YAFFS支持多个分区，这里选择挂载/flash分区新建文件db1.dbf
f=yaffs_open("/flash/db1.dbf", O_CREAT,S_IREAD | S_IWRITE);
yaffs_close(f);//关闭文件db1.dbf
f=yaffs_open("/flash/db1.dbf", O_RDWR,0);//以读/写的方式打开文件db1.dbf
r=yaffs_write(f,"hello",5);//向文件写数据
yaffs_lseek(f,2,SEEK_SET);//移动文件读/写指针
r=yaffs_write(f,"world",5);
r=yaffs_lseek(f,0,SEEK_SET);
r=yaffs_read(f,buffer,10);//从文件读取数据
r=yaffs_close(f);//关闭文件db1.dbf
r=yaffs_unlink("/flash/db1.dbf");//删除文件db1.dbf

　　可见， YAFFS的接口函数的使用方法与标准C语言中对文件的操作函数十分相似，简单易用。

5  总结

　　YAFFS文件系统是第一个专门为NAND Flash存储器编写的嵌入式文件系统。它实现了掉电保护、疲劳均衡和有效的垃圾回收，与JFFS相比占用资源更少，运行速度更快；与FAT相比，更适合用于管理NAND Flash数据存储器。在C51系统中如果需要实现Flash文件系统，那么移植YAFFS是个不错的选择，但是毕竟它是一个在32位机的Linux下开发出来的，要让它能与8位机的C51风格完美结合，还需要进一步的努力。

参考文献

[1]  Samsung公司.  K9F5608DataSheet. 20031217.
[2]  毛勇强,黄光明. YAFFS文件系统在嵌入式Linux上的实现. 电子设计应用,2006(3).