uClinux系統(tǒng)平臺(tái)下的Flash存儲(chǔ)技術(shù)

Bootloader使一段單獨(dú)的代碼，它用以負(fù)責(zé)基本硬件的初始化過程，并且加載和運(yùn)行uClinux的內(nèi)核代碼。作為系統(tǒng)啟動(dòng)工具，Bootloader經(jīng)過配置以后可以加載Flash中多內(nèi)核，甚至可以通過串口和網(wǎng)口來加載內(nèi)核和系統(tǒng)的鏡像到RAM中運(yùn)行。Bootloader同時(shí)也提供對(duì)內(nèi)核鏡像文件的多級(jí)別保護(hù)，這一點(diǎn)對(duì)于以Flash作為存儲(chǔ)設(shè)備的系統(tǒng)來說尤為重要。譬如，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)核升級(jí)和重要數(shù)據(jù)備份時(shí)候，系統(tǒng)突然掉電，正如PC機(jī)進(jìn)行BIOS刷寫過程中的掉電一樣，都是災(zāi)難性的。但是利用Bootloader就可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)性的恢復(fù)。

目前運(yùn)行在uClinux上的免費(fèi)Bootloader有COLILO、MRB、PPCBOOT和DBUG。也有為特殊需求設(shè)計(jì)的SNAP GEAR和ARCTURUS NETWORKS。

uClinux的塊驅(qū)動(dòng)器(Block Driver)

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的塊設(shè)備可選擇存儲(chǔ)文件系統(tǒng)的塊驅(qū)動(dòng)器主要有三種選擇。

1)Blkmem driver。Blkmem driver仍是uClinux上使用最普遍的Flash驅(qū)動(dòng)器，它是為uClinux而設(shè)計(jì)的，但是相對(duì)的它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單并且僅支持NOR Flash的操作，需要在RAM中建立根文件系統(tǒng)。同時(shí)它也很難配置，需要代碼修改表來建立Flash分區(qū)。盡管如此，它還是提供了最基本的分區(qū)擦/寫操作。

2)MTD driver。MTD driver是Linux下標(biāo)準(zhǔn)的Flash驅(qū)動(dòng)器。它支持大多數(shù)Flash存儲(chǔ)設(shè)備，兼有功能強(qiáng)大的分區(qū)定義和映象工具。借用交叉存取技術(shù)(interleaving)，MTD driver甚至可支持同一系統(tǒng)中不同類型的Flash，Linux內(nèi)核中關(guān)于MTD driver配置有較為詳細(xì)的選項(xiàng)。

3)RAM disk driver。在無盤啟動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)Linux中用的最多的就實(shí)RAM disk driver，但它不支持底層的Flash存儲(chǔ)器，僅對(duì)根文件系統(tǒng)的建立有意義，即壓縮的根文件系統(tǒng)壓縮以后存放在Flash的什么地方。

通過上面的比較可以看到，MTD driver提供對(duì)Flash最有力的支持，同時(shí)它也支持從Flash上直接運(yùn)行文件系統(tǒng)，譬如JFFS和JFFS2，而Blkmem driver則不能夠支持。

根文件系統(tǒng)(Root Filesystem)

uClinux中的文件系統(tǒng)可以有很多種選擇。通常情況下ROMfs是使用最多的文件系統(tǒng)，它是一種簡(jiǎn)單、緊湊和只讀的文件系統(tǒng)。ROMfs順序存儲(chǔ)文件數(shù)據(jù)，并可以在uClinux支持地存儲(chǔ)設(shè)備上直接運(yùn)行文件系統(tǒng),這樣可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)節(jié)省許多RAM空間。

Cramfs是針對(duì)Llinux內(nèi)核2.4之后的版本所設(shè)計(jì)的一種新型文件系統(tǒng)，它也是壓縮和只讀格式的。它主要的優(yōu)點(diǎn)是將文件數(shù)據(jù)以壓縮形式存儲(chǔ)，在需要運(yùn)行的時(shí)候進(jìn)行解壓縮。由于它存儲(chǔ)的文件形式是壓縮的格式，所以文件系統(tǒng)不能直接在Flash上運(yùn)行。雖然這樣可以節(jié)約很多Flash存儲(chǔ)空間，但是文件系統(tǒng)運(yùn)行需要將大量的數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)RAM中，消耗了RAM空間。

考慮到有多數(shù)系統(tǒng)需要讀/寫的文件系統(tǒng)，可以使用MTD driver的諸如JFFS和JFFS2日志式文件格式在Flash頭部建立根文件系統(tǒng)。日志式文件系統(tǒng)可以免受系統(tǒng)突然掉電的危險(xiǎn)，并且在下一次系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)不需要文件系統(tǒng)的檢查。由于JFFS和JFFS2文件格式是特別為Flash存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的，二者都具有一種稱為“損耗平衡”的特點(diǎn)，也就是說Flash的所有被擦寫的單元都保持相同的擦寫次數(shù)。利用這種特有的保護(hù)措施，F(xiàn)lash的使用周期得到相當(dāng)大的提升。JFFS2使用了壓縮的文件格式，為Flash節(jié)省了大量的存儲(chǔ)空間，它更優(yōu)于JFFS格式在系統(tǒng)中使用。值得注意的是，使用JFFS2格式可能帶來少量的Flash空間的浪費(fèi)，這主要是由于日志文件的過度開銷和用于回收系統(tǒng)的無用存儲(chǔ)單元，浪費(fèi)的空間大小大致是兩個(gè)數(shù)據(jù)段。

如果使用RAM disk，一般應(yīng)選擇EXT2文件格式。但EXT2并不是一種特別高效的文件存儲(chǔ)空間。由于存在在RAM disk上，所以任何改變?cè)谙乱淮螁?dòng)后都會(huì)丟失。當(dāng)然，也有許多人認(rèn)為對(duì)于嵌入式存儲(chǔ)空間來講，這是一種優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槊看蜗到y(tǒng)啟動(dòng)都是從已知的文件系統(tǒng)狀態(tài)開始的。

雖然在Linux下有許多的文件格式可供選擇，但是對(duì)于uClinux一般只選擇上述的幾種文件格式。另外一點(diǎn)就是如何在目標(biāo)系統(tǒng)上建立根文件系統(tǒng)。大致步驟如下：

首先在開發(fā)宿主機(jī)上建立一個(gè)目標(biāo)機(jī)的根文件系統(tǒng)的目錄樹，然后利用嵌入式根文件系統(tǒng)生成工具在宿主機(jī)上生成目錄樹的二進(jìn)制文件鏡像，最后下載到目標(biāo)機(jī)上就可以了。對(duì)于不同的文件格式有不同的二進(jìn)制鏡像生成工具，譬如JFFS的mkfs.jffs2、ISO9660的mkisofs。

Flash工具及實(shí)例

uClinux下的Flash的操作工具有很多種，它們都是為底層的塊設(shè)備而設(shè)計(jì)使用的。

當(dāng)使用MTD driver時(shí)，主要的工具有：erase(數(shù)據(jù)段擦除工具)、eraseall(擦除Flash)、lock(寫保護(hù))、unlock(打開寫保護(hù))、mkfs.jffs(從目錄結(jié)構(gòu)生成JFFS格式文件工具)和mkfs.jffs2(JFFS2格式生成工具)。由于MTD driver提供字符和塊設(shè)備支持，所以在目標(biāo)機(jī)上可以使用諸如dd命令來寫Flash。

實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)例：

系統(tǒng)硬件配置：S3C4510B,2M Flash,4M SDRAM。內(nèi)核：uClinux2.4.x，使用MTD driver支持Flash存儲(chǔ)。文件系統(tǒng)格式選擇ROMfs。在Flash存儲(chǔ)器的地址底部存在一系列的大小不等的可擦除的地址空間，它們的大小分別是16K、8K、8K和32K，總計(jì)大小為64K ，我們選擇Flash的“bottom boot”。

Flash 分區(qū)如下

● SEGMENT SIZE MTD-DEVICE DESCRIPTION

0 16K mtd0 boot loader

1 8K mtd1 內(nèi)核引導(dǎo)參數(shù)

2 8K mtd2 出廠設(shè)置信息

3 32K mtd3 空閑

4 64K mtd4 固化設(shè)置

5

. 1984K mtd5 內(nèi)核+根文件系統(tǒng) .

35

0-35 2048K mtd6 all of Flash memory

在Flash分區(qū)的過程中,盡量使用Flash的頂部和底部。不同的MTD分區(qū)可以部分重疊,但是在操作時(shí)要特別注意。

系統(tǒng)內(nèi)核是壓縮存儲(chǔ)的,Bootloader在初始化SDRAM后就解壓內(nèi)核到SDRAM中運(yùn)行。根文件系統(tǒng)存儲(chǔ)在壓縮的內(nèi)核鏡像文件之后的，它可以直接在Flash上運(yùn)行,移除內(nèi)核壓縮鏡像后，典型的根文件系統(tǒng)的大小約有1.5M左右。

內(nèi)核文件和根文件系統(tǒng)合并在一個(gè)鏡像文件中有一個(gè)最大的好處就是當(dāng)二者需要升級(jí)的時(shí)候,只需要重新編譯MTD4上的配置文件即可。

在所有配置中關(guān)鍵是MTD驅(qū)動(dòng)器映射的建立, uClinux-2.4.x/drivers/mtd/maps下的nettle-uc.c是文件系統(tǒng)建立的源程序，其主要是解釋了分區(qū)映射的內(nèi)容和在MTD4上如何配置根文件系統(tǒng)。