《嵌入式开发平台》-模块四：嵌入式文件系统

任务１：文件系统子任务１：文件文件：是文件描述符，存放打开的文件与进程之间进程交互的有关信息的对象，此对象仅当进程访问文件期间存在于内存中。文件是一个抽象概念，它是存放数据和信息的仓库。文件的载体通常是磁盘。子任务２：文件系统文件系统是磁盘文件的管理系统，根据用户提供的逻辑地址（路径和文件名）查找文件的物理地址。下一页返回任务１：文件系统它是包括了所有磁盘分区、目录、存储设备和文件的一个集合体。功能：（１）用户通过文件系统可直接与操作系统交互，是操作系统的一部分，负责即时检索、读写、操作等。（２）文件的即时存储、访问数据和程序。Ｌｉｎｕｘ支持的文件系统：安装Ｌｉｎｕｘ可默认选择ｅｘｔ３＼ｒｅｉｓｅｒｆｓ＼ｅｘｔ２文件系统，除此之外，还支持苹果的ＨＦＳ，也支持其他ＵＮＩＸ操作系统的文件系统，比如：ＸＦＳ、ＪＦＳ、ｍｉｎｉｘｆｓ、ＵＦＳ，也支持Ｗｉｎｄｏｗｓ文件系统ＮＴＦＳ和ＦＡＴ，还支持网络文件系统ＮＦＳ。上一页下一页返回任务１：文件系统子任务３：文件管理操作系统会维护一个显示所有文件在硬盘中的起始扇区信息的表（这个表本身也在硬盘中）。该表只需要存储给定文件的起始扇区信息的原因是，该文件的不同扇区能够通过“ｌｉｎｋｅｄ－ｌｉｓｔ”的方式链接起来，换句话说，在一个文件起始扇区的最末部分，ＯＳ会存储关于开始跟踪和下一部分文件扇区的信息。操作系统也会维护一张关于未用扇区的表。当用户新创建一个文件时，ＯＳ会核查这张表以找到一个位置安放该文件，当然，接下来ＯＳ会更新该表。如果用户删除一个文件，ＯＳ会同时更新上面两张表，首先删除在第一张表中该文件的入口信息，然后将这个文件占用的空间信息写入第二张表中。上一页下一页返回任务１：文件系统文件的创建和删除动作贯穿于整个设备使用过程中，对未用扇区的设置就像是干一件东拼西凑的活儿一样，因为这些未用的扇区任意散落在硬盘中。这对性能有写负面影响，特别是在查询时。因此很多ＯＳ中都有类似的碎片整理工具，这些工具用来重新排列硬盘中文件的位置，使得硬盘上每个独立文件的扇区能够彼此靠近。上一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统子任务１：磁盘的空间结构磁盘会划分成多个分区，每个分区必须先格式化成某种格式的文件系统，然后才能存储文件。格式化时会在磁盘上写一些管理存储布局的信息。将一个磁盘格式化为ｅｘｔ２文件系统后的空间结构如图４－１所示。１.引导块引导块是由ＰＣ标准规定的，用来存储磁盘分区信息和启动信息。任何文件系统都不能使用引导块，引导块之后才是ｅｘｔ２文件系统的开始。ｅｘｔ２文件系统将整个分区划分成若干同样大小的块组。下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统２.超级块描述整个分区的文件系统信息，例如块大小、文件系统版本号、上次ｍｏｕｎｔ的时间等。超级块在每个块组的开头都有一份。３.块组描述符表由很多块组描述符表组成，每个块组描述符存储一个块组的描述信息。与超级块一样，每个块组有一份拷贝，一旦损坏，就会丢失整个分区的数据。通常内核只用到第０个块组中的拷贝。４.块位图用来描述整个块组中哪些块已用，哪些块空闲。它本身占一个块，其中每个位代表本块组中的一个块，这个位为１表示该块已用，为０表示该块空闲可有。上一页下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统５.索引节点位图与块位图类似，本身占一个块，其中每个位表示一个节点是否空闲可用。６.索引节点表存储文件的描述信息。比如，当使用ｌｓ－ｌ命令时，所看到的文件的详细信息，其中每一个文件都有一个节点，一个块组中的所有节点组成节点表。ｍｋｅ２ｆｓ格式化工具的默认策略是一个块组有多少个８ＫＢ就分配多少个节点。上一页下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统７.数据块根据不同的文件类型有不同的情况。常规文件，文件的数据存储在数据块中；目录文件，该目录下的所有文件名和目录名存储在数据块中，注意文件名保存在它所在目录的数据块中，除文件名外，ｌｓ－ｌ命令看到的其他信息都保存在该文件的节点中；软链接文件，如果目标路径名短则直接保存在节点中以便更快地查找，如果路径长则分配一个数据块来保存；设备文件、ＦＩＦＯ和ｓｏｃｋｅｔ等特殊文件没有数据块，设备文件的主设备号和次设备号保存在节点中。上一页下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统子任务２：数据块寻址如果一个文件有多个数据块，这些数据块很可能不是连续存放的，如何寻址到每个块呢，根目录的数据块是通过其节点中的索引项找到的，事实上，这样的索引项一共有１５个，从Ｂｌｏｃｋｓ［０］到Ｂｌｏｃｋｓ［１４］，每个索引项占４字节。如果Ｂｌｏｃｋｓ［０］保存着２４，就表示第２４个块是该文件的数据块，前１２个索引项都表示块编号，后三个索引项都是间接索引。索引项Ｂｌｏｃｋｓ［１２］所指抽的块并非数据块，而是称为间接寻址块，其中存放类似Ｂｌｏｃｋｓ［０］这种索引项，再由索引项指向数据块。设块大小是ｂ，那么一个间接寻址块中可以存放ｂ／４个索引项，指向ｂ／４个数据块。对于块大小是１ＫＢ的情况，最大可表示２６８ＫＢ的文件。上一页下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统索引项Ｂｌｏｃｋｓ［１３］指向两级的间接寻址块，最多可表示（ｂ／４）２＋（ｂ／４）＋１２个数据块。对于１ＫＢ的块大小，最大可表示６４.２６ＭＢ的文件。索引项Ｂｌｏｃｋｓ［１４］指向三级的间接寻址块，最多可表示（ｂ／４）３＋（ｂ／４）２＋（ｂ／４）＋１２个数据块。对于１ＫＢ的块大小，最大可表示１６.０６ＧＢ的文件。可见，这种寻址方式对于访问不超过１２个数据块的小文件是非常快的，访问文件中任意数据只需要两次读盘操作，一次读索引项，一次读数据块；而访问大文件中的数据则需要最多五次读盘操作：索引项、一级间接寻址块、二级间接寻址块、三级间接寻址块、数据块。实际上，磁盘中的索引项和数据块往往已经被内核缓存了，读大文件的效率也不会太低。上一页下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统子任务３：文件和目录操作的系统函数一、ｓｔａｔ（２）该函数读取文件的索引节点，然后把索引节点的各种文件属性填入一个ｓｔｒｕｃｔｓｔａｔ结构体传出给调用者。ｓｔａｔ需要根据传入的文件路径找到索引节点，假设一个路径是／ｏｐｔ／ｆｉｌｅ，则查找顺序是：（１）读出索引节点表中第２项，也就是根目录的索引节点，从中找出根目录数据块的位置。（２）从根目录的数据块中找出文件名为ｏｐｔ的记录，从记录中读出它的索引节点号。（３）读出ｏｐｔ目录的索引节点号，从中找出它的数据块的位置。上一页下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统（４）从ｏｐｔ目录的数据块中找出文件名为ｆｉｌｅ的记录，从记录中读出它的索引节点号。（５）读出ｆｉｌｅ文件索引节点。二、ａｃｃｅｓｓ（２）该函数功能为检查执行当前进程的用户是否有权限访问某个文件、传入文件路径是什么和要执行的访问操作是怎样的（也就是ｒｗｘ的权限），取出文件索引节点中的ｓｔ＿ｍｏｄｅ字段，比较一下访问权限。三、ｃｈｍｏｄ（２）该函数改变文件的访问权限，也就是修改索引节点中的ｓｔ＿ｍｏｄｅ字段。上一页下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统四、ｃｈｏｗｎ（２）该函数改变文件的所有者和组，也就是修改索引节点中的Ｕｓｅｒ和Ｇｒｏｕｐ字段。五、ｌｉｎｋ（２）该函数创建硬链接，其原理是在目录的数据块中添加一条新记录，其中索引节点号字段和原文件相同。六、ｓｙｍｌｉｎｋ（２）该函数创建符号链接，这需要创建一个新的索引节点，其中ｓｔ＿ｍｏｄｅ字段的文件类型是符号链接，原文件的路径保存在索引节点中或者分配一个数据块来保存。上一页下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统七、ｍｋｄｉｒ（２）该函数创建新的目录，要做的操作是在它的父目录数据块中添加一条记录，然后分配新的索引节点和数据块，其中ｓｔ＿ｍｏｄｅ字段的文件类型是目录，在数据块中填两个记录。八、ｒｍｄｉｒ（２）该函数删除一个目录，这个目录必须是空的才能删除，要做的操作是释放它的索引节点和数据块，清除索引节点位图和块位图中相应的位，清除父目录数据块中的记录。上一页下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统九、ｏｐｅｎｄｉｒ（３）／ｒｅａｄｄｉｒ（３）／ｃｌｏｓｅｄｉｒ（３）用于遍历目录数据块中的记录。Ｏｐｅｎｄｉｒ打开一个目录，返回一个ＤＩＲ*指针代表这个目录，它是一个类似ＦＩＬＥ*指针的句柄。ｃｌｏｓｅｄｉｒ用于关闭这个句柄，把ＤＩＲ*指针传给ｒｅａｄｄｉｒ读取目录数据块中的记录。每次返回一个指向ｓｔｒｕｃｔｄｉｒｅｎｔ的指针，反复读就可以遍历所有记录，所有记录遍历完之后，ｒｅａｄｄｉｒ返回ＮＵＬＬ。上一页下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统结构体ｓｔｒｕｃｔｄｉｒｅｎｔ定义如下：ｉｎｏ＿ｔｄ＿ｉｎｏ；／*ｉｎｏｄｅｎｕｍｂｅｒ*／ｏｆｆ＿ｔｄ＿ｏｆｆ；／*ｏｆｆｓｅｔｔｏｔｈｅｎｅｘｔｄｉｒｅｎｔ*／ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔｄ＿ｒｅｃｌｅｎ；／*ｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｉｓｒｅｃｏｒｄ*／ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｄ＿ｔｙｐｅ；／*ｔｙｐｅｏｆｆｉｌｅ*／ｃｈａｒｄ＿ｎａｍｅ［２５６］；／*ｆｉｌｅｎａｍｅ*／｝；上一页下一页返回任务２：ｅｘｔ２文件系统子任务４：虚拟文件系统ＶＦＳ为了在不同文件系统之间可以方便地交换数据和管理，支持任意地挂载不同现代操作系统，大多都在系统内核和文件系统之间提供一个叫作虚拟文件系统ＶＦＳ的标准接口。（１）Ｌｉｎｕｘ虚拟文件系统是各逻辑文件系统的管理者。（２）Ｌｉｎｕｘ虚拟文件系统是一组内核函数，是用户程序的系统调用接口或操作界面。上一页返回任务３：嵌入式文件系统一、设计原则（１）使用便捷。（２）安全性、可靠性高。（３）及时响应。（４）开放的体系结构：开放性、可移植性。二、嵌入式系统中的数据存储和管理嵌入式系统的存储器是常用的ＦＬＡＳＨ。ＦＬＡＳＨ分为：（１）ＮＯＲＦＬＡＳＨ，一般小于为１６ＭＢ，文件系统通常是ＪＦＦＳ（日志闪存文件系统）。（２）ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ，一般大于为１６ＭＢ，文件系统通常是ＹＡＦＦＳ文件系统。下一页返回任务３：嵌入式文件系统三、ＹＡＦＦＳ文件系统类似于ＪＦＦＳ／ＪＦＦＳ２，是专门为ＮＡＮＤ闪存设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备，是日志结构的文件系统，提供了损耗平衡和掉电保护，可以有效避免意外掉电对文件系统一致性和完整性的影响。ＹＡＦＦＳ是按层次结构设计的，分为文件系统管理层接口、ＹＡＦＦＳ内部实现层和ＮＡＮＤ接口层，简化了其他系统的接口设计，可以方便地集成到系统中。１.ＹＡＦＦＳ文件组织结构将文件组织成固定大小（５１２Ｂ）的数据段，每个文件都有一个页面专门存放文件头。上一页下一页返回任务３：嵌入式文件系统２.ＹＡＦＦＳ物理数据组织ＹＡＦＦＳ利用ＮＡＮＤ闪存提供的每个页面１６Ｂ的备用空间，备用空间中６Ｂ被用作页面数据的ＥＣＣ（ＥｒｒｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＣｏｄｅ），２Ｂ用作块状态字和数据状态字，其余８Ｂ用来存放文件系统的组织信息，即元数据。３.ＹＡＦＦＳ擦除块和页面分配用数据结构来描述每个擦除块的状态。该数据结构记录了块状态，并用一个３２ｂｉｔ的位图来表示块内各个页面的使用情况。４.ＹＡＦＦＳ垃圾收集机制使用一种多策略混合的算法来进行垃圾回收，将贪心策略和随机选择策略按一定比例混合使用：当满足特定的小概率条件时，垃圾回收器会试图随机选择一个可回收的页面；而在其他情况下，则使用贪心策略回收“赃”块。上一页返回任务４：构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统子任务１：Ｌｉｎｕｘ根文件系统包含的内容内核启动的最后一步：挂载根文件系统。包含内容：（１）ｉｎｉｔ进程。（２）Ｓｈｅｌｌ。（３）文件系统、网络系统等的工具集。（４）系统配置文件。（５）链接库。下一页返回任务４：构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统子任务２：Ｌｉｎｕｘ根文件系统的目录结构ｂｉｎ：必要的用户命令（二进制文件）。ｓｂｉｎ：必要的系统管理员命令。ｄｅｖ：设备文件及其他特殊文件；当配置内核支持设备文件系统ｄｅｖｆｓ时，此目录中的设备节点由内核和驱动程序自动创建。ｅｔｃ：系统配置文件，包括ｆｓｔａｂ挂载文件系统的配置文件；ｐａｓｓｗｄ为Ｐａｓｓｗｏｒｄ文件；ｉｎｅｔｄ.ｃｏｎｆＩｎｅｔｄ守护进程的配置文件；ｇｒｏｕｐ为Ｇｒｏｕｐ文件；ｉｎｉｔ.ｄ／ｒｃＳ为缺省的ｓｙｓｉｎｉｔ脚本。ｌｉｂ：ｇｌｉｂｃ链接库，存放系统必要的动态链接库，支持系统的正常启动。上一页下一页返回任务４：构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统ｍｎｔ：临时挂载的文件系统的挂载点。ｐｒｏｃ：提供内核和进程信息。ｔｍｐ：临时文件目录。ｕｓｒ：多数用户使用的应用程序和目录。ｖａｒ：监控程序和工具程序存放的可变数据。*ｂｏｏｔ：引导加载程序的静态文件。*ｈｏｍｅ：用户主目录。*ｏｐｔ：附加软件的安装目录。*ｒｏｏｔ：ｒｏｏｔ管理员主目录。*嵌入式Ｌｉｎｕｘ可选的目录。上一页下一页返回任务４：构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统子任务３：ＢｕｓｙＢｏｘ工具集ＢｕｓｙＢｏｘ在嵌入式Ｌｉｎｕｘ中有“瑞士军刀”，是一个很小的应用软件，但提供完整的工具集。免费下载网址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｂｕｓｙｂｏｘ.ｎｅｔ。ＢｕｓｙＢｏｘ配置和交叉编译步骤：步骤１：下载ＢｕｓｙＢｏｘ文件，比如ｂｕｓｙ－ｂｏｘ．ｔａｒ．ｂｚ２。在网址中找到ＢｕｓｙＢｏｘ文件，比如ｂｕｓｙ－ｂｏｘ．ｔａｒ．ｂｚ２进行下载。上一页下一页返回任务４：构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统步骤２：解压该压缩文件。使用命令ｔａｒｘｖｆｊｂｕｓｙ－ｂｏｘ．ｔａｒ．ｂｚ２解压缩该文件。步骤３：进入解压目录。使用命令ｃｄｂｕｓｙ－ｂｏｘ进入解压目录。步骤４：进行配置，选择配置菜单。使用ｍａｋｅｍｅｎｕｃｏｎｆｉｇ命令进入配置界面，选择菜单进行配置。配置菜单界面如图４－２所示。上一页下一页返回任务４：构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统５.选择ＢｕｓｙＢｏｘ的编译方式ＢｕｉｌｄｏｐｔｉｏｎｓＢｕｉｌｄＢｕｓｙＢｏｘａｓａｓｔａｔｉｃｂｉｎａｒｙ（ｎｏｓｈａｒｅｄｌｉｂｓ）缺省配置为使用链接库。６.配置交叉编译器ＢｕｉｌｄＯｐｔｉｏｎｓ［*］ＤｏｙｏｕｗａｎｔｔｏｂｕｉｌｄＢｕｓｙＢｏｘｗｉｔｈａｃｒｏｓｓｃｏｍｐｉｌｅ？（／ｕｓｒ／ｌｏｃａｌ／ａｒｍ／３.４.１／ｂｉｎ／ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ－）上一页下一页返回任务４：构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统７.配置安装路径（.／＿ｉｎｓｔａｌｌ）ＢｕｓｙＢｏｘｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｐｒｅｆｉｘ８.配置其他工具集

ＩｎｉｔＵｔｉｌｉｔｉｅｓ［*］ｉｎｉｔ［*］ｓｕｐｐｏｒｔｒｅａｄｉｎｇａｎｉｎｉｔｔａｂｆｉｌｅ［*］ｓｕｐｐｏｒｔｒｕｎｎｉｇｉｎｉｔｆｒｏｍｗｉｔｈｉｎａｎｉｎｉｔｒｄ？编译后会生成／ｂｉｎ、／ｌｉｎｕｘｒｃｂｉｎ／ｂｕｓｙｂｏｘ、／ｓｂｉｎ目录。上一页下一页返回任务４：构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统

ＡｒｃｈｉｖａｌＵｔｉｌｉｔｉｅｓ工具：ｔａｒ、ｚｉｐ、ｕｎｚｉｐ

Ｃｏｒｅｕｔｉｌｓ常用命令：ｂａｓｅｎａｍｅｃａｔｃｈｇｒｐｃｈｍｏｄｄａｔｅｄｄｄｆｅｃｈｏｅｎｖｌｎｌｓｍｋｄｉｒｍｋｎｏｄｍｖｐｗｄｒｍｒｍｄｉｒｓｌｅｅｐｓｏｒｔｓｙｎｃｗｃｗｈｏａｍｉ等

Ｅｄｉｔｏｒｓ编辑命令：ｖｉａｗｋｓｅｄ等

ＦｉｎｄｉｎｇＵｔｉｌｉｔｉｅｓ上一页下一页返回任务４：构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统查找命令：ｆｉｎｄｇｒｅｐｘａｒｇｓＬｏｇｉｎ／ＰａｓｓｗｏｒｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔＵｔｉｌｉｔｉｅｓＬｏｇｉｎ：ｇｅｔｔｙｌｏｇｉｎｐａｓｓｗｄ

ＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇＵｔｉｌｉｔｉｅｓ网络命令集：ｈｏｓｔｎａｍｅｉｆｃｏｎｆｉｇｉｎｅｔｄｎｅｔｓｔａｔｐｉｎｇｒｏｕｔｅ

ＰｒｏｃｅｓｓＵｔｉｌｉｔｉｅｓ进程命令：ｆｒｅｅｐｓｓｙｓｃｔｌｔｏｐ

Ｓｈｅｌｌｓｓｈｅｌｌ工具：ａｓｈ等上一页下一页返回任务４：构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统

ＳｙｓｔｅｍＬｏｇｇｉｎｇＵｔｉｌｉｔｉｅｓ日志工具：ｓｙｓｌｏｇｄｋｌｏｇｄ

ＬｉｎｕｘＳｙｓｔｅｍＵｔｉｌｉｔｉｅｓ系统工具：ｄｍｅｓｇｆｄｉｓｋｇｅｔｏｐｔｍｏｒｅｍｏｕｎｔｕｍｏｕｎｔＬｏｇｉｎ／ＰａｓｓｗｏｒｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔＵｔｉｌｉｔｉｅｓＬｏｇｉｎ：ｇｅｔｔｙｌｏｇｉｎｐａｓｓｗｄ

ＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇＵｔｉｌｉｔｉｅｓ网络命令集：ｈｏｓｔｎａｍｅｉｆｃｏｎｆｉｇｉｎｅｔｄｎｅｔｓｔａｔｐｉｎｇｒｏｕｔｅ上一页下一页返回任务４：构建Ｌｉｎｕｘ根文件系统

ＰｒｏｃｅｓｓＵｔｉｌｉｔｉｅｓ进程命令：ｆｒｅｅｐｓｓｙｓｃｔｌｔｏｐ

Ｓｈｅｌｌｓｓ