（通信与信息系统专业论文）嵌入式文件系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着嵌入式计算机技术的发展，外部存储设备成本逐渐下降，与之相对的 嵌入式应用所请求的数据量却日益剧增。如何有效的管理设备及其数据，成为 嵌入式系统开发中的重要问题。作为嵌入式实时操作系统的组件，嵌入式文件 系统提供专业化的数据存取和外部设备管理功能。 嵌入式系统的特点决定了嵌入式文件系统与普通桌面文件系统具有较为明 显的差异。嵌入式系统物理内存的局限决定了嵌入式文件系统必须具备代码紧 凑、按需配置的特点，在应用不使用文件系统的极端情况下，文件系统不能对 系统造成任何的代码负担和开销；其次，嵌入式文件系统应该尽可能独立于硬 件体系结构，因此在实现上应该具有较好的移植性；再次，文件系统是嵌入式 系统的一个组成模块，作为系统的一个可加载选项提供给用户，由用户决定是 否需要加载。 本课题基于化学发光测试系统的研究，因此针对化学发光测试系统对文件 系统的要求，设计出基于f a t 格式的文件系统，其体系结构分为三个层次，自 底向上分别为：块设备驱动层、文件系统核心层、应用程序接口层。满足了化 学发光测试系统对于文件系统的性能要求：结构紧凑、代码量小，支持多种存 储设备，可移植等。此外，由于本文件系统提供了灵活的应用层a p i 接口和设 备驱动管理接口，便于化学发光测试系统的未来升级和扩展。 本文首先研究了常见的嵌入式外存设备和文件系统技术，然后提出了基于 f a t 格式嵌入式文件系统的体系结构，详细讨论了各子模块的设计方案和具体实 现，并设计了嵌入式文件系统对常用外部设备的驱动。文章最后对课题的成果 和不足做出了总结，并对嵌入式文件系统的发展趋势进行了展望。 关键词：嵌入式：文件系统；f a t ；f l a s h ；驱动：化学发光测试系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fe m b e d e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o s to fo u t s i d es t o r a g e d e v i c e si sd e c r e a s e dg r a d u a l l y ，c o m p a r a t i v e l yt h ed a t ac o u n tw h i c he m b e d e d a p p l i c a t i o nr e q u i r e di si n c r e a s e dd a yb yd a y h o wt oa d m i n i s t e rt h o s ed e v i c e sa n d d a t ae f f e c t i v e l yb e c o m e sa ni m p o r t a n tp r o b l 锄o f e m b e d e ds y s t e m d e v e l o p m e n t a s a c o m p o n e n to fe m b e d e dr e a l t i m ec o n t , o ls y s t e m , t h ee a n b e d e df i l es y s t e mo f f e r st h e s p e c i f i cf u n c t i o no f d a t as t o r a g ea n do u t s i d ed e v i c e sa d m i n i s t r a t i o n c h a r a c t e r so fe m b e d e ds y s t e mc a u s e dr e l a t i v e l yo b v i o u sd i f f e r a n e eb e t w e e n 踟b e d e df i l es y a t e ma n du s u a ld e s kf i l es y s t e m f i r s t l y , t h el i m i t a t i o no fe m b e d e d s y s t e m sp h y s i c a ls t o r a g ed e c i d e st h a te m b e d e df i l es y s t e mm u s th a si t sc o d et i g h t , a n dc o u l d n tc a u s ea n yc o d ec o s tt o s y s t e mw h e nn of i l es y s t e mi sb e i n gu s e d s e c o n d l y , e m b e d e df i l es y s t e ms h o u l db es e p 盯a t e dw i t hh a r d w a r es y s t e ms t r u c t u r ea s p o s s i b l ea si te o n i d , t h u si ts h o u l dc o n t a i ng o o da b i l i t yo fr e p l a n t i n gw h e nb e i n g r e a l i z e d t h i r d l y , f i l es y s t e mi sac o m p o n e n to fe m b e d e ds y s t e m , w h i c hi so f f e r e dt o r i s e r sa sas e l e c t i o na n dd e c i d e db yr i s e r sw h e t h e rt ol o a do rn o t t h e p r o j e c tb a s e do nc h e m i c a li r r a d i a n e ed e t e c t i n gs y s t e m , s ot a k er e q u i r e m e n t o fc h e m i c a li r r a c l i a n c ed e t e c t i n gs y s t e mi n t oe o n s i d e r r a t i o n , w ed e s i g naf i l es y s t e m b a s e do nf a tf o r m a t , 孤c h i t e c t u r eo f t h ef i l es y s t e mc o n t a i n st h r e ep a r t sf o r n lb o t t o m t ot o p ：m a n a g el a y e rf o rd r i v e r s , f i l es y s t e mk e r n e ll a y e ra n da p p l i c a t i o ni n t e r f a c e l a y e r t i l i sa r e h i t e e t u r es a t i s f i e dt h ed e m a n d so fc h e m i c a li r r a d i a n c ed e t e c t i n g s y s t e m , s u c h 罄c o m p a c tc o d e s u p p o r ts e v r e ls t o r r i g ed e v i s ea n dg o o da b i l i t yo f r e p l a n t i n g b e s i d e s ，t h i sf i l es y s t e mo f f e r ss m a r ta p p l i c a t i o nl a y e ra p ii n t e r f a c ea n d d e v i c e sd r i v e r sa d m i n i s m n i o ni n t e r f a c e 。i no r d e rt om a k ec h e m i c a li r r a d i a n c e d e t e c t i n gs y s t e mu p d a t ea n de x p a n d s i o ni i lf i m l r ee a s y t h j sp a p e rd o e sr e s e a r e h sa b o u tu s u a le m b e d e do u t s i d ed e v i c e sa n dt e c h n o l o g y o ff i l es y s t e m , t h e no f f e r sas y s t e ms t r u c t u r eo fe m b e d e df i l es y s t e mb a s e do ne a t f o r m a t , d e s c r i b e sd e s i g np l a n sa n dc o n c r e t er e a l i z a t i o no fe a c hs u b m o d u l e si nd e t a i l a n dd e s i g n sd r i v e r so fu s u a lo u t s i d ed e v i c e sw h i c hu s e db ye m b e d e df i l es y s t e m a t l a s t , t h i sp a p e rm a k e ss o m ec o n c l u s i o n sa b o u ta c h i e v e m e n t sa n ds h o r t a g e so ft h i s p r o j e c t , a n dg i v e sap r e v i e wo f t h ed e v e l o p m e n tf i e n do f e m b e d e df i l es y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d e ds y s t e m ；f i l es y s t e m ；f a t ；f l a s h ；d r i v e r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：鑫壁缘日 期： 2 o o s 2 - 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：玺壁垒导师签名：圭：趣日期：掣印 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁的， 能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面都有严格要求的专 用计算机系统。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本 要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 随着信息技术的发展和数字产品的普及，嵌入式系统已经渗透到人们的工 作、生活的各个方面，广泛应用于仪器仪表、汽车、家用电器、手持通讯设备、 信息终端、航天航空、军事装备、制造工业和过程控制等各个领域。其中，医 疗领域是使用嵌入式技术最为广泛的领域之一。 本课题基于的项目是化学发光测试系统的研制具体来讲就是化学发光 免疫分析仪的研制。化学发光测试系统是应用于医疗领域免疫分析方面的嵌入 式系统产品，是一个软硬件混合的系统。作为一种基于抗原一抗体的特异性结 合反应和化学发光原理的免疫分析仪器，化学发光免疫分析仪可以取代传统的 放射性免疫分析仪器，具有广泛的现实意义。 化学发光检测系统可以广泛应用于化学分析、免疫分析、岩矿分析、食品 检验、环境分析等领域，是当前化学分析和免疫分析研究的热点。其实现机理 是依据免疫学诊断的基础抗原一抗体的特异性结合反应，将酶或其他非放 射性标记物标记于抗原或抗体，然后与已知抗原或抗体反应，标记的酶使反应 底物进行发光，经光电倍增管测量后可得到被测样本的每秒钟发光计数( c p s ) ， 再根据系统内置的标准曲线将c p s 转换为样本的浓度值。该项技术的应用，使 抗原一抗体的反应时间缩短，特异性程度和灵敏度得到提高，同时辅以嵌入式 技术的应用，使整个反应的全自动化实现成为可能，并一改过去依赖于手工加 样，再交由仪器测量的半自动化技术的局面，是近十年来免疫检验技术的一个 飞跃。目前国内尚无自主研制的全自动化学发光免疫分析仪器的成熟产品，此 类仪器长期被国外公司如b e c k m a n ，b a y e r ，r o c h e 以及d p c 等公司垄断。化学 发光检测系统是与北京倍爱康公司联合开发的一种主要应用于医疗免疫分析发 武汉理工大学硕士学位论文 面的化学发光免疫分析仪器，是自主开发并拥有全部知识产权的全自动的发光 检测系统，该系统经在机实验证实完全可以满足临床检测实验要求，同时相信 对国内同类的全自动免疫分析仪的开发和研制具有参考价值。 嵌入式系统发展速度迅猛，不仅体现在c p u 的处理能力迅速、外界设备与 处理器交互能力快速等方面，更体现在嵌入式系统的性能日益增高、系统存储 容量迅速增加。当然，这些变化随之带来的问题是对数据的存储与管理等操作 的要求越来越高，以往采取的直接针对存储介质读写数据的方式显然不能够再 满足需求。因此，如何系统地、灵活地管理数据文件就成为化学发光检测系统 开发中无法回避的问题。 1 2 研究的内容、目的和意义 在化学发光检测系统中，系统程序，应用程序，各种数据等软件资源都是 以文件的形式存放在外设存储器中。让用户直接管理这些数量巨大、种类繁多 的文件是不现实的。为了使用户方便地存取和访问这些文件资源，需要设计一 种能够高效管理文件的文件系统，即本课题的中心任务所在。 本文在研究几种常用的嵌入式文件系统的基础上，重点分析基于f a t 格式 的嵌入式文件系统，并将该文件系统应用于化学发光检测系统。 文件系统在物理存储介质和用户应用程序之间添加了一层中介，使系统层 次分明、透明度好。文件系统在嵌入式开发中的使用，使得开发者获得“路径” 的改变，从而回避了存储介质的地址空间，不用每次都从头对物理介质进行操 作。文件系统提供了与底层物理存储介质无关的、清晰明了的a p i 函数，使上 层应用不再关心底层存储介质，从而可以使化学发光检测系统的用户方便的利 用标准接口访问底层存储器。此外，接口的标准化，使程序的层次分明，大大 提高了化学发光测试系统中应用程序的可移植性。 1 3 论文组织结构 本文详细讨论了一个基于f a t 格式的嵌入式文件系统的原理、体系结构以 及具体实现。并在化学发光测试系统中使其得到了具体应用。 组织结构安排如下： 第一章课题的背景，研究内容及意义，论文组织结构。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第二章嵌入式文件系统的特点，文件系统的关键技术包括存储设备和文 件格式，以及当前主流文件系统概述等相关知识的研究。 第三章化学发光检测系统中文件系统的总体设计。针对该化学发光检测 系统的特性，以及文件系统的设计目标，设计出一种有针对性的文件系统体系 结构，并阐明其特点及实现方式，为以后各章的讨论奠定基础。 第四章块设备驱动层的设计与实现。研究了嵌入式存储器件、设备驱动 程序的基本结构，并实现了文件系统中的n a n df l a s h 存储器驱动程序。 第五章文件系统的实现。首先阐述了f a t 文件系统的基本原理，而后列 举了各个模块的具体实现，最后，进行文件系统的测试分析。完成了嵌入式文 件系统的构建和实现。 第六章总结成果，分析不足，并提出进一步的改善方向。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式文件系统及相关知识研究 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1 定义、特点及发展历史 嵌入式系统是计算机的一种应用形式，嵌入式系统的定义是：以应用为中 心、以计算机技术为基础、软硬件可剪裁、适合应用系统；对功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外 围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现 对其他设备的控制、监视或者管理等功能。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器 微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操 作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程，有时设计人员把 这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制 着应用程序编程与硬件的交互作用1 4 】。 与通用型计算机系统相比较，嵌入式系统具有以下特点： ( 1 ) 面向特定应用。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体 裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 ( 2 ) 功耗低、体积小、集成度高、成本低。嵌入式c p u 大多工作在为特定 用户群设计的系统中，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内 部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化。 ( 3 ) 占用资源比通用p c 少。 ( 4 ) 具有固化在非易失性存储器中的代码。为了提高执行速度和系统可靠 性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中，而不是存贮于磁盘等载 体中。 ( 5 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也 是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开 发。 从上世纪八十年代起，国际上就有一些i t 组织、公司，开始进行商用嵌入 4 武汉理工大学硕士学位论文 式系统和专用操作系统的研发，嵌入式系统的发展大致经历了这样几个阶段： ( 1 ) 以单片机为核心的可编程控制器形成的系统，适用于专业性极强的工 业控制领域，一般不存在操作系统。 ( 2 ) 以嵌入式c p u 为基础，以简单操作系统为核心的系统。 ( 3 ) 以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。操作系统兼容性好，内核精 简，效率高，具有高度的模块化和扩展性。具有文件管理，目录管理，设备支 持和用户界面等，并且，具有大量的应用程序接口，应用程序开发简单。 ( 4 ) 以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个当今正在迅速发展的 阶段。随着i n t e m e t 的发展以及i n t e r a c t 与信息家电、工业控制技术的日益密切， 嵌入式系统与i n t e r a c t 的紧密结合将代表着嵌入式系统未来的发展方向。 2 1 2 对数据存储的要求及现状 嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的 存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。 因此，嵌入式系统对数据存储的要求也与通用型计算机系统有很大不同。 当前嵌入式应用对嵌入式系统数据存储的要求主要有以下几点： ( 1 ) 存储容量：如今的通信、消费电子产品等领域中存在大量的数据，早 期许多面向简单应用的嵌入式系统中使用的存储设备已经不能满足当前的需 求，存储设备的容量需求大大提高。 ( 2 ) 数据共享：在实际应用中，嵌入式系统常常需要和其他系统( 比如通 用p c ) 进行数据交换。衡量系统价值的很大程度上取决于不同系统间交换数据 是否方便，数据的存储格式是否兼容。 ( 3 ) 数据访问速度：数据访问速度是衡量系统整体性能的一个重要标准。 随着实际应用需求中越来越大的数据量，以及嵌入式微处理器处理数据速度的 加快，访问速度的重要性显得尤为重要。访问速度主要取决于存储媒介的种类、 数据存储结构以及硬件接1 3 等【6 】。 ( 4 ) 可靠性：作为数据存储的重要因素，可靠性在某些特殊应用( 如数据 采集，数据记录等) 的嵌入式计算机系统中的作用不容忽视。 ( 5 ) 造价成本：嵌入式系统设计中必须考虑到元具体器件的价格、成本问 题，以提高产品的竞争力。 嵌入式系统中应用较多的存储设备为n o rf l a s h 、带点保护的s r a m 等， 5 武汉理工大学硕士学位论文 其存储信息量有限、性价比不高，仅适合少量的数据存储的应用系统。一些性 能优良价格低廉的大容量存储设备，如a t a 硬盘、n a n df l a s h 存储设备等，在 通用p c 平台上的应用虽然已经趋于成熟，但由于软硬件接口技术比较复杂，很 多关键技术对开发者公开程度不高，因此在嵌入式计算机系统的应用方面还存 在较大的困难。 2 2 嵌入式文件系统 2 2 1 文件系统概述 文件系统是操作系统用于明确磁盘或分区上的文件的方法和数据结构，即 在磁盘上组织文件的方法，也指用于存储文件的磁盘或分区、或文件系统种类。 文件系统负责存取和管理文件信息的机构，用于控制对数据、文件以及设各的 存取，它提供对文件和目录的分层组织形式、数据缓冲以及对文件存取权限的 控制。 文件系统是一种系统软件，是操作系统的重要组成部分。在某些操作系统 中，文件系统位于系统内核，有些作为操作系统的一个服务组件。 从用户的角度看，重要的是文件系统的用户接口，即一个文件由什么组成、 文件命名、文件保护，以及对文件的操作等等，即为使用文件的用户和应用程 序提供服务。 信息以文件的形式存储在磁盘或外部介质上，需要使用时进程可以读取这 些信息或者写入新的信息。外存上的文件不会因为进程的创建和终止而受到影 响，只有通过文件系统提供的系统调用删除它时才会消失。文件系统必须提供 创建文件、删除文件、读文件、写文件等功能的系统调用为文件操作服务。文 件的存放通过目录完成，所以对目录的操作就成了文件系统功能的一部分。目 录本身也是一种文件，也有相应的创建目录、删除目录和层次结构组织系统调 用。 文件系统具有以下功能： ( 1 ) 对文件存贮器进行管理，分别记录空闲区和被占用区，以便于用户创 建、修改以及删除文件时对空间的操作。 ( 2 ) 对文件和目录的按名访问、分层组织功能。 ( 3 ) 创建、删除及修改文件功能。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 数据保护功能。 ( 5 ) 文件共享功能。 2 2 2 嵌入式文件系统概述 嵌入式文件系统是指嵌入式系统中实现文件存取、管理等功能的模块，提 供一系列文件输入输出等文件管理功能，为嵌入式系统和设备提供文件系统支 持。 在嵌入式系统中，应用程序通常需要对信息进行存取操作，当任务运行的 时候，任务可以在其任务堆栈中存放少量信息，但是存储量要受到内存空间的 严格限制，而且在内存空间中的信息随着任务的退出而消失，不适于存放要长 期保存的信息。另一方面，一些公共信息为多个任务所共享，需要这些信息独 立于具体的任务而存在。 嵌入式系统和桌面系统一样，为用户提供文件系统以方便信息的处理。嵌。 入式文件系统以普通桌面操作系统的文件系统为基础发展而来，但两种文件系 统的应用环境和自身的要求又有很大的不同： 在普通桌面操作系统中，文件系统不仅要管理文件，提供文件系统调用a p i ， 还要管理各种设备，支持对设备和文件操作的一致性。而在嵌入式文件系统中， 由于大部分嵌入式系统都是针对特殊目的定制的，因而对嵌入式操作系统的系 统功能的模块化和可裁减性提出了更高的要求。参。 嵌入式系统的应用条件往往比桌面计算机恶劣的多，在恶劣使用环境下系 统的稳定性、安全性还要得到足够的保障，通用的文件系统对于可靠性和文件 系统自身的安全性并没有特殊的保障机制，因此无法保证这些性能。 所以，虽然有许多已经较为成熟的桌面操作系统下的文件系统，如d o s 下 的f a t 文件系统、w i n d o w sn t 下的n t f s 文件系统以及u n 下的i n o c d e 文件系统等，但这些文件系统都不能直接适用于嵌入式系统。要想适用于嵌入 式系统，必须进行重新设计。 嵌入式文件系统应该借鉴成熟的桌面文件系统，并且进一步根据具体的硬 件环境以及应用需求来设计文件系统的体系结构和实现方法。 嵌入式文件系统作为嵌入式操作系统的重要组成部分，对于实现嵌入式系 统中大量数据的存储和各种操作的管理，有着不可替代的作用。 嵌入式文件系统虽然继承了通用文件系统的组织结构，但由于功能和作用 7 武汉理工大学硕士学位论文 与普通桌面操作系统的文件系统不同，同时又有自己的特点： ( 1 ) 在嵌入式系统中，文件系统是嵌入式系统的一个组成模块。它是作为 系统的一个可加载选项提供给用户，由用户决定是否需要加载它。 ( 2 ) 需要满足结构紧凑、代码量小的特点，合理地对文件存储器进行管理。 嵌入式系统中的文件存储器空间相对不会太大，必须对其进行高效的管理，以 避免对资源的浪费。 ( 3 ) 使用简单便捷。用户只要知道文件名、文件路径等简单信息特征，就 可以方便地对文件进行操作，不必知道文件在具体物理存储空间的运作过程【9 】。 ( 4 ) 安全可靠。对文件、数据的保护是文件系统的基本功能。嵌入式系统 的应用通常要求系统必须有较高的可靠性。 ( 5 ) 支持多种存储设备、可伸缩、可剪裁、可移植等特点。嵌入式应用的 领域相当广泛，其采用的硬件环境和操作系统也各不相同。为了适应这种差异 性，文件系统应降低对具体硬件环境和操作系统的依赖，具备良好的可移植性。 2 2 3 主流嵌入式文件系统 国内外流行的嵌入式操作系统中，多数均具有可根据应用需求而进行定制 的文件系统组件，下面对几个主流的嵌入式操作系统的文件系统组件做一个简 要介绍。 q n x 的文件系统组件 q n x 被称为x 8 6 平台上最好的嵌入式操作系统。它提供多种资源管理器， 包括各种文件系统和设备管理，支持多个文件系统同时运行，包括提供完全的 p o s i x 1 以及u n i x 语法的p o s i x 文件系统，支持多种闪存设备的嵌入式文件 系统，支持对多种文件服务器( w i n d o w sn t 9 5 、l a n m a n a g e r 等) 的透明访 问的s m b 文件系统、d o s 文件系统、c d - r o m 文件系统等，并支持多种外部 设备，如u s b 舢a r t ，i d e 及s c s i 磁盘等。 v x w o r k s 的文件系统组件f f s v x w o r k s 是使用最广泛的嵌入式操作系统。它提供的文件系统组件“快速 文件系统”( f f s ) 非常适合于实时系统的应用。它包括几种支持使用块设备( 如 磁盘) 的本地文件系统，这些设备都使用一个标准的接口从而使得文件系统能 够被灵活的在设备驱动程序上移植。另外，v x w o r k s 也支持s c s i 磁带设备的本 地文件系统【1 0 1 。v x w o r k s 的i o 体系结构甚至还支持一个单独的v x w o r k s 系统 武汉理工大学硕士学位论文 上同时并存几个不同的文件系统，v x w o r k s 支持四种文件系统：f a t 、t r l l f s 、 r a w f s 、t a p e f s 。v x w o r k s 借鉴了u n i x 设计中“设备即文件”的重要思想，将 外部设备作为一个特殊的数据文件进行处理，使得普通数据文件和外部设备在 用户面前有相同语法定义，使用相同的保护机制，便于系统管理和应用设计。 i tc l i n u x 的文件系统 pc l i n u x 继承了l i n u x 完善的文件系统性能，其采用的是r o m f s 文件系统。 这种文件系统相对于一般的e x t 2 文件系统要求更少的空间，空间的节约来自于 两个方面：首先，内核支持r o m f s 文件系统比支持e x t 2 文件系统需要更少的代 码；其次，r o m f s 速度文件系统相对简单，在建立文件系统超级块( s u p e r b l o c k ) 需要更少的存储空间。r o m f s 文件系统不支持动态擦写保存，对于系统需要动态 保存的数据采用虚拟r a m 盘的方法进行处理( r a m 盘将采用e x t 2 文件系统) 。 p s o s 文件管理系统 p s o s 文件管理系统称为p h i l e + ，它提供了文件系统管理和对块设备的管 理。p s o s 可以通过p h i l e + 有效的访问各种不同的存储设备，包括本地设备和 网络设备。文件系统包括c d r o m 设备、f a t 兼容文件系统和p s o s y t e m 特有 的快速文件系统。 以上几种嵌入式文件系统是现在商用嵌入式文件系统的主流，占领大部分 的市场，也代表了这个领域的先进技术，但是由于商业机密的限制，源代码和 核心技术不可能公开，购买和维护费用昂贵，而且由于嵌入式系统的专用性。 无法形成统一的标准。 2 3 嵌入式文件系统的关键技术研究 2 3 1 常用存储设备 1 随机读写存储器r a m r a m 有静态读写存储器s r a m 和动态读写存储器d r a m 之分，访问速度 快，但是成本较高，容量较小，这是在传统的嵌入式系统中使用最为广泛的一 类存储器。 诸如d r a m 、s r a m 这类易失性存储器的缺陷是，当供电电源关闭时片内 信息随即丢失，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存。 2 闪速存储器 9 武汉理工大学硕士学位论文 闪速存储器( f l a s hm e m o r y ) 是一类非易失随机访问存储器n m ( n o n v o l a t i l e m e m o r y ) ，俗称闪存。闪存具有制造成本低廉、存储容量大、体积小、功耗低、 不易受物理破坏等优点，因此成为嵌入式系统的首选存储设备。 闪存( f l a s hm e m o r y ) 像r a m 或r o m 一样可以随机读取，可以从任意地 址读入，且读取速度与地址无关。对于已写入的内容可以擦除，但是只能成块 擦除，不能随机擦除，且必须遵循一定步骤。对于空白、已经擦除内容可以按 照一定随机写入，但已经写入则不能重复写入【1 1 l 。 相对于传统存储介质，闪存类存储设备具有如下优点： ( 1 ) 具有非易失性，在供电电源关闭的条件下也能长久地保存片内数据。 ( 2 ) 闪存的写入和擦除不需要特殊的电压条件，不像e e p r o m 一样需要 较高电压，也不像普通e p r o m 一样需要紫外线照射擦除。 ( 3 ) 可靠性高，采用闪速存储器作为存储介质，可以确保1 0 0 万次以上的 可靠写入。 ( 4 ) 存储速度快，写入5 0 0 k b s ，读出8 0 0 k b s ，是普通软驱传输速度的 2 0 倍以上。 ( 5 ) 程序的读写速度非常快，几乎接近大文件的读写速度，支持安全模式 的读写操作。 闪存以其独特的性能广泛地运用于各个领域，包括嵌入式系统，如p c 及外 设、电信交换机、蜂窝电话、网络互联设备、仪器仪表和汽车器件，同时还包 括新兴的语音、图像、数据存储类产品，如数字相机、数字录音机和个人数字 助理( p d a ) 。目前比较常见的闪速存储器有c f ( c o m p a c tf l a s h ) 卡、s d 卡、 s m ( s m a r t m e d i a ) 卡、m m c ( m u l t i m e d i a c a r d ) 卡和s o n y m e m o r ys t i c k 记 忆棒等。 从技术结构上分，闪存主要有n o r 、d i n o r 、n a n d 、a n d 等技术类型。 n o r 技术 亦称为l i n e a r 技术。n o r 技术是最早出现的f l a s hm e m o r y 技术，由i n t e l 于1 9 8 8 年首先开发出，彻底改变了原先由e p r o m 和e e p r o m 一统天下的局 面。n o r 技术目前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的e p r o m 器 件。与其它f l a s hm e m o r y 技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势， 在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广 泛使用，如p c 的b i o s 固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 n o r 技术f l a s hm e m o r y 具有以下特点： ( 1 ) 程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线， 能快速随机读取，允许系统直接从f l a s h 中读取代码执行，而无需先将代码下载 至r a m 中再执行； ( 2 ) 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整 片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和 擦除操作。 由于n o r 技术f l a s hm e m o r y 的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因 此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，n o r 技术显得力不从心。 d j n o r ( d i v i d e db i t l i n en o r ) 技术 d i n o r 技术是m i t s u b i s h i 与h i t a c h i 公司发展的专利技术，从一定程度上改 善了n o r 技术在写性能上的不足。 d i n o r 技术f l a s hm e m o r y 和n o r 技术一样具有快速随机读取的功能，按 字节随机编程的速度略低于n o r ，而块擦除速度快于n o r 。d i n o r 技术f l a s h m e m o r y 在执行擦除操作时无须对页进行预编程，且编程操作所需电压低于擦除 操作所需电压，这与n o r 技术相反。 n a n d 技术 1 9 8 9 年，东芝公司发表了n a n df l a s h 结构，强调更低的成本，更高的性能， 并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。目前，s a m s u n g 、t o s h i b a 和f u j i s t u 支持n a n d 技术f l a s h m e m o r y 。n a n d f l a s h 适合于数据或文件的串行读写存储， 主要作为s m a r tm e d i a 卡、c o m p a c tf l a s h 卡、p c m c i aa t a 卡、固态盘的存储 介质，并正成为闪速磁盘技术的核心。 n a n d 技术f l a s hm e m o r y 具有以下特点： ( 1 ) 以页为单位进行读和编程操作，1 页为2 5 6 或5 1 2 b ( 字节) ；以块为 单位进行擦除操作，1 块为4 k 、8 k 或1 6 k b 。具有快编程和快擦除的功能其块 擦除时间是2 m s ；而n o r 技术的块擦除时间达到几百m s 。 ( 2 ) 数据、地址采用同一总线，实现串行读取数据，随机读取速度慢且不 能按字节随机编程。 ( 3 ) 芯片尺寸小，引脚少，通常是采用8 个引脚来传送控制、地址和数据 信息，是位成本( b i tc o s t ) 最低的固态存储器。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 芯片包含有失效块，其数目最大可达到3 3 5 块( 取决于存储器密度) ， 失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起 来。 ( 5 ) 在n a n df l a s h 上运行代码时需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序 m t d ( m e m o r yt e c h n o l o g yd r i v e r s ) 。m t d 已集成在f l a s h 芯片内部，它是对f l a s h 进行操作的接口。 u 1 仃a n a n d 技术 a m d 与f u j i s t u 共同推出的u l t r a n a n d 技术，称之为先进的n a n d 闪速存 储器技术。它与n a n d 标准兼容，拥有比n a n d 技术更高等级的可靠性，可用 来存储代码，从而首次在代码存储的应用中体现出n a n d 技术的成本优势；它 没有失效块，因此不用系统级的查错和校正功能，能更有效地利用存储器容量。 与d i n o r 技术一样，尽管u l t r a n a n d 技术具有优势，但在当前的市场上仍以 n a n d 技术为主流。 a n d 技术 a n d 技术是h i t a c h i 公司的专利技术，a n d 技术与n a n d 技术一样采用“大 多数完好的存储器”概念，目前，在数据和文档存储领域中是另一种占重要地 位的闪速存储技术。h i t a c h i 公司用该技术的f l a s hm e m o r y 制造1 2 8 m 的 m u l t i m e d i a 卡和2 m b 的p c a t a 卡，用于职能电话、个人数字助理、掌上电脑、 数码相机、便携式摄像机、便携式音乐播放器等。 3 磁性存储媒介 传统的大容量存储设备使用的媒介，如今依然是保存数据的最佳方式之一， 主要表现为磁带和磁盘。磁带多用于超大容量的移动数据存储，由于访问速度 的限制，现在多用于大量的数据备份。磁盘常见的有软盘和硬盘，软盘由于其 容量太小、速度太慢以及可靠性太差已经逐步淘汰。硬盘以其在速度、容量、 体积与价格方面有着无与伦比的优势与潜力，已经发展成为最通用的大容量存 储设备之一。目前己成熟的广泛应用于通用计算机系统中，但在嵌入式系统专 用系统中的应用仍处在研究试验阶段。 2 3 2 目前流行的文件格式 嵌入式文件系统的设计借鉴于成熟的通用桌面文件系统，因此，在设计文 件系统的格式之前，对当前比较流行的通用文件系统的格式作一个全面的了解。 武汉理工大学硕士学位论文 目前主要流行的文件格式有以下几种： 1 e x t 2 和e x t 3 e x t 2 文件系统是l i n u x 系统中标准的文件系统，是专门为l i n u x 设计，拥有 较快的速度和较小的c p u 占有率，其特点为存取文件的性能极好，对于中小型 的文件更显示出优势。其设计功能强大、且易于向下兼容，所以新版的文件系 统代码无需重做已有的文件系统。 e x t 2 的核心是两个内部数据结构，即超块( s u p e r b l o c k ) 和索引节点( i n c o d e ) 。 超块( s u p e r b l o e k ) 是一个包含文件系统重要信息的表格，它是对文件系统基础 性、全局性的描述。索引节点( i n c o d e ) 是基本的文件级数据结构，文件系统中 的每一个文件都可以在其中一个索引节点找到其描述，文件系统中所有的索引 节点保存在索引节点表中。e x t 2 文件系统中的目录实际是一种特殊文件，它们 也有对应的索引节点，索引节点指向的数据块中包含该目录中索引的目录项， 每个目录项对应自己的索引节点。 e x t 2 文件系统分布在块结构的设备上，文件系统不必了解数据块的物理存 储内容，它保存的是逻辑块的编号，由块设备驱动程序完成逻辑块编号到物理 存储位置的转换。e x t 2 文件系统将逻辑分区划分为块组，每个块组重复保存着 对文件系统的完整性非常关键的信息，同时用来保持实际的文件和目录数据。 e x t 3 是e x t 2 文件系统加上日志支持的下一代版本，它和e x t 2 文件系统在硬 盘布局上是一样的，二者的差别仅仅是e x t 3 文件系统在硬盘上多了一个特殊 i n c 0 t e ，用以记录文件系统的日志。 由于e x t 2 和e x t 3 适用于l i n u x 操作系统，本课题设计的是一种更为通用、 适用性更广的文件系统，所以选用w m d o w s 系统使用的文件系统较为合理。 2 f a t 文件格式 f a t 文件格式是由微软推出的在m s - d o s 和w m d o w s 系统中使用的一种非 线性链表式结构的文件系统。 ( 1 ) 簇的概念的引入 f a t 格式的文件系统分配磁盘空间是按照“簇”来分配的，文件占用磁盘空 间的基本单位不是字节，而是簇。磁盘上最小可寻址存储单元称为扇区，通常 每个扇区为5 1 2 个字节( b y t e ) 。由于多数文件比扇区大得多，因此如果对一个 文件分配最小的存储空间，将使存储器能存储更多数据，这个最小存储空间即 称为“簇”。 武汉理工大学硕士学位论文 为什么采用簇呢? 通常，存储设备上的空间分配式随机的，在一个新存储 设备上，文件是连续存储的，并知道开始和结束扇区的长度，在读取时可以根 据些信息重新得到所存储的文件。但是，过一段时间后，有些文件将会被擦掉， 同时可能有些文件增大，这时不能保证同一个文件存储在连续的一系列扇区里。 因此，需要一种方法来辨别哪个扇区被分配到某些文件，以及还有哪些扇区可 用。这时可以采用一种表结构来实现这种功能，使每个扇区对应一个表记录。 然而，由于大多数文件存储在多个扇区，一个记录对应一个扇区的作法将造成 一些浪费。因此，采用每个记录代表一个固定数量扇区将更有意义，这个固定 扇区被称为簇。 ( 2 ) f a t 表 f a t 表即文件分配表( f i l e a l l o c a t i o n t a b l e ) ，是用以记录簇与文件对应关系 的表结构。f a t 表是f a t 文件系统中的一个重要的数据结构，是f a t 文件系统 中用于磁盘数据( 文件) 索引和定位的一种链式结构，它反映磁盘空间当前的 使用情况，是整个文件系统的核心。文件在磁盘的分布情况是以簇链的方式记 录在f a t 中，每个文件都有自己的存储簇，可以是连续的也可以是不连续的， 而f a t 表存储关于簇的信息，记录除文件首簇以外文件使用的所有簇的情况。 值得注意的是，f