嵌入式Linux文件系统知多少

Nand/Nor Flash

在嵌入式Linux产品中，通常使用的存储介质为Nand Flash和Nor Flash，而手机、相机等产品通常使用eMMC、SD Card作为存储介质，导致这种差异的原因主要是成本考量。

Nand Flash和Nor Flash具有低成本、高密度存储的优势。但是，它们在读写操作上又有各自的限制。Nand Flash和Nor Flash都没有片内FTL(Flash Transfer Layer)层，换句话说，它们都是raw flash。也就是说，本质上它们都是字符设备。未填写数据的时候，所有位都是高电平；写操作是将高电平变为低电平；只有擦操作才能将低电平变为高电平。所以Nand Flash和Nor Flash的写操作都只能通过先擦除再写入完成，读操作没有限制。

Nand Flash通常用来存储数据，它通过页(Page)和块(Block)两级结构组成，页大小通常为512Byte，类似于磁盘，块大小为8~32KB。读取和写入以页为单位进行，擦操作以块为单位进行。另外，针对每一页有16字节的OOB区，用来存放额外的信息以及ECC纠错码。Nand Flash比较容易出现坏块，其生命周期是擦写100万次。

Nor Flash通常用来存代码，因为它具有XIP(eXecute In Place)的特性，即片上执行，CPU可以把它当RAM使用，同时它也可以保存数据。Nor Flash的页大小通常为32Byte，块大小为128KB，芯片内部包含512Byte的写缓冲区。Nor Flash具有随机读和页读两种方式，擦除操作则是以块为单位，即128KB。Nor Flash在擦除操作之前，必须对每一位写0。Nor Flash的读速度比Nand Flash快，擦除和写入速度则比Nand Flash慢。另外，Nor Flash没有芯片内部的坏块处理，因为它比较少出现坏块，其生命周期是擦写10万次。

MTD(Memory Technology Devices) 

MTD子系统在raw flash上提供了一层抽象层，并提供统一的API接口给文件系统层，这样文件系统就不用关心实际的Flash类型是Nand Flash还是Nor Flash。

MTD子系统有以下三种接口：

1) mtd字符设备：/dev/mtd0, /dev/mtd1等，通常包括一组ioctl进行读取、擦除、写入、标记坏块、获取flash信息等操作

2) sysfs 参考Documentation/ABI/testing/sysfs-class-mtd

3) /proc/mtd

MTD子系统给文件系统层提供的API都在include/linux/mtd/mtd.h中描述，其中最重要的是mtd_info结构体。内核3.4版本之前，文件系统层通过mtd_info的成员函数指针调用接口函数；内核3.4版本以后，通过mtd.h文件中声明的mtd_read() mtd_write()等函数实现。

MTD既可以是字符设备，也可以是块设备。

mtdblock驱动是一个过时的工具，用来在mtd设备之上模拟块设备。它不进行坏块处理，所以不能用于Nand Flash。它的工作原理是通过缓存数据块来实现，修改操作在内存中缓存的数据块进行，然后擦除实际物理块，再将缓存的数据写入物理块。这样会出现掉电的时候，数据丢失的现象。另外，它也不进行wear-leveling和bit-flips（位反转）处理。通常将mtdblock理解为FTL层，其实这种认知是错误的，尽量不要使用mtdblock，除非你知道自己在干什么。

YAFFS/JFFS2/SQUASHFS/UBIFS

文件系统

mkimage

uboot源代码的tools/目录下有mkimage工具，这个工具可以用来制作不压缩或者压缩的多种可启动映象文件。

为什么uboot下会有这个工具呢？因为bootloader的类型有很多种，不同的bootloader在加载和启动内核时的方式大体上一致，但是具体实施上有细微的区别，mkimage的目的是在linux内核镜像文件(zImage)的基础上加上一段uboot可以识别的头部信息用来解析和加载内核镜像，通常最终生成的镜像文件名为uImage。该头部信息大小为0x40字节，记录mkimage参数所指定的信息，比如CPU体系结构、OS类型、镜像文件类型、内核镜像加载到内存的地址、压缩格式等。

Usage: ./mkimage -l image
          -l ==> list image header information
       ./mkimage [-x] -A arch -O os -T type -C comp -a addr -e ep -n name -d data_file[:data_file...] image
          -A ==> set architecture to 'arch'
          -O ==> set operating system to 'os'
          -T ==> set image type to 'type'
          -C ==> set compression type 'comp'　　　　　//压缩格式，可选none/gzip/bzip2
          -a ==> set load address to 'addr' (hex)　　　　//内核加载到内存的地址
          -e ==> set entry point to 'ep' (hex)　　　　　　//内核加载到内存的地址+0x40       (跳过0x40的头部，该参数可以忽略)
          -n ==> set image name to 'name'
          -d ==> use image data from 'datafile'
          -x ==> set XIP (execute in place)
       ./mkimage [-D dtc_options] -f fit-image.its fit-image
       ./mkimage -V ==> print version information and exit

参数说明：
-A 指定CPU的体系结构：
取值 表示的体系结构
alpha Alpha
arm A RM
x86 Intel x86
ia64 IA64
mips MIPS
mips64 MIPS 64 Bit
ppc PowerPC
s390 IBM S390
sh SuperH
sparc SPARC
sparc64 SPARC 64 Bit
m68k MC68000
-O 指定操作系统类型，可以取以下值：
openbsd、netbsd、freebsd、4_4bsd、linux、svr4、esix、solaris、irix、sco、dell、ncr、lynxos、vxworks、psos、qnx、u-boot、rtems、artos
-T 指定映象类型，可以取以下值：
standalone、kernel、ramdisk、multi、firmware、、filesystem
-C 指定映象压缩方式，可以取以下值：
none 不压缩
gzip 用gzip的压缩方式
bzip2 用bzip2的压缩方式
-a 指定映象在内存中的加载地址，映象下载到内存中时，要按照用mkimage制作映象时，这个参数所指定的地址值来下载
-e 指定映象运行的入口点地址，这个地址就是-a参数指定的值加上0x40（因为前面有个mkimage添加的0x40个字节的头）
-n 指定映象名
-d 指定制作映象的源文件

示例：mkimage -n 'linux-2.6.14' -A arm -O linux -T kernel -C none -a 0x30008000 -e 0x30008000 -d zImage zImage.img

vmlinux/Image/zImage

LD      vmlinux                          内核编译完成之后，链接各目标文件，生成ELF格式vmlinux
SYSMAP  System.map
  SYSMAP  .tmp_System.map
  OBJCOPY
arch/arm/boot/Image                通过objcopy提取vlinux中的代码段和数据段并打包生成arch/arm/boot/Image
  Kernel:
arch/arm/boot/Image is ready
  AS      arch/arm/boot/compressed/head.o
  GZIP   
arch/arm/boot/compressed/piggy.gz
  AS      arch/arm/boot/compressed/piggy.o
  CC     
arch/arm/boot/compressed/misc.o
  AS     
arch/arm/boot/compressed/head-xscale.o
  LD     
arch/arm/boot/compressed/vmlinux       通过gzip压缩arch/arm/boot/Image并添加解压程序等生成ELF格式的arch/arm/boot/compressed/vmlinux
  OBJCOPY
arch/arm/boot/zImage      通过objcopy提取arch/arm/boot/compressed/vmlinux中的代码段和数据段生成可以放在内存任意地址直接执行的arch/arm/boot/zImage