您之前可能聽說過 Journaling Flash File System（JFFS）和 Yet Another Flash File System（YAFFS），但是您知道使用底層 flash 設(shè)備的文件系統(tǒng)意味著什么嗎？本文將向您介紹 Linux? 的 flash 文件系統(tǒng)，并探索它們?nèi)绾瓮ㄟ^平均讀寫（wear leveling）處理底層的可消耗設(shè)備（flash 部件），并鑒別各種不同的 flash 文件系統(tǒng)以及它們的基本設(shè)計。
　　固態(tài)驅(qū)動器當(dāng)前非常流行，但是嵌入式系統(tǒng)很久以前就開始使用固態(tài)驅(qū)動器進(jìn)行存儲。您可以看到 flash 系統(tǒng)被用于個人數(shù)字助理（PDA）、手機(jī)、MP3 播放器、數(shù)碼相機(jī)、USB flash 驅(qū)動（UFD），甚至筆記本電腦。很多情況下，商業(yè)設(shè)備的文件系統(tǒng)可以進(jìn)行定制并且是專有的，但是它們會遇到以下挑戰(zhàn)。
　　基于 Flash 的文件系統(tǒng)形式多種多樣。本文將探討幾種只讀文件系統(tǒng)，并回顧目前可用的各種讀/寫文件系統(tǒng)及其工作原理。但是，讓我們先看看 flash 設(shè)備及其所面對的挑戰(zhàn)。
　　Flash 內(nèi)存技術(shù)
　　Flash 內(nèi)存（可以通過幾種不同的技術(shù)實現(xiàn)）是一種非揮發(fā)性內(nèi)存，這意味著斷開電源之后其內(nèi)容仍然保持下來。
　　兩種最常見的 flash 設(shè)備類型為：NOR 和 NAND?；?NOR 的 flash 技術(shù)比較早，它支持較高的讀性能，但以降低容量為代價。NAND flash 提供更大容量的同時實現(xiàn)快速的寫擦性能。NAND 還需要更復(fù)雜的輸入/輸出（I/O）接口。
　　Flash 部件通常分為多個分區(qū)，允許同時進(jìn)行多個操作（擦除某個分區(qū)的同時讀取另一個分區(qū)）。分區(qū)再劃分為塊（通常大小為 64KB 或 128KB）。使用分區(qū)的固件可以進(jìn)一步對塊進(jìn)行獨特的分段 — 例如，一個塊中有 512 字節(jié)的分段，但不包括元數(shù)據(jù)。
　　Flash 設(shè)備有一個常見的限制，即與其他存儲設(shè)備（如 RAM 磁盤）相比，它需要進(jìn)行設(shè)備管理。flash 內(nèi)存設(shè)備中惟一允許的 Write 操作是將 1 修改為 0。如果需要撤銷操作，那么必須擦除整個塊（將所有數(shù)據(jù)重置回狀態(tài) 1）。這意味著必須刪除該塊中的其他有效數(shù)據(jù)來實現(xiàn)持久化。NOR flash 內(nèi)存通常一次可以編寫一個字節(jié)，而 NAND flash 內(nèi)存必須編寫多個字節(jié)（通常為 512 字節(jié)）。
　　這兩種內(nèi)存類型在擦除塊方面有所不同。每種類型都需要一個特殊的 Erase 操作，該操作可以涵蓋 flash 內(nèi)存中的一個整塊。NOR 技術(shù)需要通過一個準(zhǔn)備步驟將所有值清零，然后再開始 Erase 操作。Erase 是針對 flash 設(shè)備的特殊操作，非常耗費(fèi)時間。擦除操作與電有關(guān)，它將整個塊的所有單元中的電子放掉。
　　NOR flash 設(shè)備通常需要花費(fèi)幾秒時間來執(zhí)行 Erase 操作，而 NAND 設(shè)備只需要幾毫秒。flash 設(shè)備的一個關(guān)鍵特性是可執(zhí)行的 Erase 操作的數(shù)量。在 NOR 設(shè)備中，flash 內(nèi)存中的每個塊可被擦除 100，000 次，而在 NAND flash 內(nèi)存中可達(dá)到一百萬次。
　　Flash 內(nèi)存面臨的挑戰(zhàn)
　　除了前面提到的一些限制以外，管理 flash 設(shè)備還面臨很多挑戰(zhàn)。三個最重大的挑戰(zhàn)分別是垃圾收集、管理壞塊和平均讀寫。
　　垃圾收集
　　垃圾收集 是一個回收無效塊的過程（無效塊中包含了一些無效數(shù)據(jù)）。回收過程包括將有效數(shù)據(jù)移動到新塊，然后擦除無效塊從而使它變?yōu)榭捎?。如果文件系統(tǒng)的可用空間較少，那么通常將在后臺執(zhí)行這一過程（或者根據(jù)需要執(zhí)行）。
　　管理壞塊
　　用的時間長了，flash 設(shè)備就會出現(xiàn)壞塊，甚至在出廠時就會因出現(xiàn)壞塊而不能使用。如果 flash 操作（例如 Erase）失敗，或者 Write 操作無效（通過無效的錯誤校正代碼發(fā)現(xiàn)，Error Correction Code，ECC），那么說明出現(xiàn)了壞塊。
　　識別出壞塊后，將在 flash 內(nèi)部將這些壞塊標(biāo)記到一個壞塊表中。具體操作取決于設(shè)備，但是可以通過一組獨立的預(yù)留塊來（不同于普通數(shù)據(jù)塊管理）實現(xiàn)。對壞塊進(jìn)行處理的過程 — 不管是出廠時就有還是在使用過程中出現(xiàn) — 稱為壞塊管理。在某些情況下，可以通過一個內(nèi)部微控制器在硬件中實現(xiàn)，因此對于上層文件系統(tǒng)是透明的。
　　平均讀寫
　　前面提到 flash 設(shè)備屬于耗損品：在變成壞塊以前，可以執(zhí)行有限次數(shù)的反復(fù)的 Erase 操作（因此必須由壞塊管理進(jìn)行標(biāo)記）。平均讀寫算法能夠最大化 flash 的壽命。平均讀寫有兩種形式：動態(tài)平均讀寫 和靜態(tài)平均讀寫 。
　　動態(tài)平均讀寫解決了塊的 Erase 周期的次數(shù)限制。動態(tài)平均讀寫算法并不是隨機(jī)使用可用的塊，而是平均使用塊，因此，每個塊都獲得了相同的使用機(jī)會。靜態(tài)平均讀寫算法解決了一個更有趣的問題。除了最大化 Erase 周期的次數(shù)外，某些 flash 設(shè)備在兩個 Erase 周期之間還受到最大化 Read 周期的影響。這意味著如果數(shù)據(jù)在塊中存儲的時間太長并且被讀了很多次，數(shù)據(jù)會逐漸消耗直至丟失。靜態(tài)平均讀寫算法解決了這一問題，因為它可以定期將數(shù)據(jù)移動到新塊。
　　系統(tǒng)架構(gòu)
　　到目前為止，我已經(jīng)討論了 flash 設(shè)備及其面臨的基本挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，讓我們看看這些設(shè)備如何組合成為一個分層架構(gòu)的一部分（參加圖 1）。架構(gòu)的頂層是虛擬文件系統(tǒng)（VFS），它為高級應(yīng)用程序提供通用接口。VFS 下面是 flash 文件系統(tǒng)（將在下節(jié)介紹）。接下來是 Flash 轉(zhuǎn)換層（Flash Translation Layer，F(xiàn)TL），它整體管理 flash 設(shè)備，包括從底層 flash 設(shè)備分配塊、地址轉(zhuǎn)換、動態(tài)平均讀寫和垃圾收集。在某些 flash 設(shè)備中，可以在硬件中實現(xiàn)一部分 FTL 。
　　
　　圖 1. flash 系統(tǒng)的基本架構(gòu)
　　Linux 內(nèi)核使用內(nèi)存技術(shù)設(shè)備（Memory Technology Device，MTD）接口，這是針對 flash 系統(tǒng)的通用接口。MTD 可以自動檢測 flash 設(shè)備總線的寬度以及實現(xiàn)總線寬度所需設(shè)備的數(shù)量。