从操作系统的角度详解Linux文件系统层次、文件系统分类、文件系统的存储结构、不同存储介质的区别(RAM、ROM、Flash)、存储节点inode。

在LINUX系统中有一个重要的概念：一切都是文件。 其实这是UNIX哲学的一个体现，而Linux是重写UNIX而来，所以这个概念也就传承了下来。

在UNIX系统中，把一切资源都看作是文件，包括硬件设备。UNIX系统把每个硬件都看成是一个文件，通常称为设备文件，这样用户就可以用读写文件的方式实现对硬件的访问。这样带来优势也是显而易见的：UNIX 权限模型也是围绕文件的概念来建立的，所以对设备也就可以同样处理了。

常见的硬盘类型有PATA, SATA和AHCI等，在Linux系统中，对不同硬盘所提供的驱动模块一般都存放在内核目录树 drivers/ata 中，而对于一般通用的硬盘驱动，也许会直接被编译到内核中，而不会以模块的方式出现，可以通过查看/boot/config-xxx.xxx文件来确认：

• CONFIG_SATA_AHCI=y
  

这一层的作用，正是解答了上面提出的第一个问题，不同的硬盘驱动，会提供不同的IO接口。内核认为这种杂乱的接口不利于管理，需要把这些接口抽象一下，形成一个统一的对外接口，这样，不管你是什么硬盘、什么驱动，对外而言，它们所提供的IO接口没什么区别，都一视同仁的被看作块设备来处理。

所以，如果在一层做的任何修改，将会直接影响到所有文件系统，不管是ext3、ext4还是其它文件系统，只要在这一层次做了某种修改，对它们都会产生影响。

文件系统这一层相信大家都再熟悉不过了，目前大多Linux发行版本默认使用的文件系统一般是ext4。另外，新一代的btrfs也呼之欲出，不管什么样的文件系统，都是由一系列的mkfs.xxx命令来创建，如

mkfs.ext4 /dev/sda

mkfs.btrfs /dev/sdb

内核所支持的文件系统类型，可以通过内核目录树 fs 目录中的内容来查看。

Virtual File System这一层，正是用来解决上面提出的第二个问题。试想，当我们通过mkfs.xxx系列命令创建了很多不同的文件系统，但这些文件系统都有各自的API接口，而用户想要的是，不管你是什么API，他们只关心mount/umount，或open/close等操作。

所以，VFS就把这些不同的文件系统做一个抽象，提供统一的API访问接口，这样，用户空间就不用关心不同文件系统中不一样的API了。VFS所提供的这些统一的API，再经过System Call包装一下，用户空间就可以经过SCI的系统调用来操作不同的文件系统。

VFS所提供的常用API有：

• mount()， umount() …
  

• open()，close() …
  

• mkdir() …
  

和文件系统关系最密切的就是存储介质，存储介质大致有RAM，ROM，磁盘磁带，闪存等。

闪存（Flash Memory）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器，数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位（注意：NOR Flash 为字节存储），区块大小一般为256KB到20MB。

闪存是电子可擦除只读存储器（EEPROM）的变种，EEPROM与闪存不同的是，它能在字节水平上进行删除和重写而不是整个芯片擦写，这样闪存就比EEPROM的更新速度快。由于其断电时仍能保存数据，闪存通常被用来保存设置信息，如在电脑的BIOS（基本输入输出程序）、PDA（个人数字助理）、数码相机中保存资料等。

外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘、软盘、磁带、CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢的多。内存指的就是主板上的存储部件，是CPU直接与之沟通，并用其存储数据的部件，存放当前正在使用的（即执行中）的数据和程序，它的物理实质就是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，内存只用于暂时存放程序和数据，一旦关闭电源或发生断电，其中的程序和数据就会丢失。

RAM又分为动态的和静态。静态被用作cache，动态的常用作内存。网上说闪存不能代替DRAM是因为闪存不像RAM（随机存取存储器）一样以字节为单位改写数据，因此不能取代RAM。这个以后可以了解下硬件的知识再来辨别。

Linux下的文件系统结构如下：

Linux启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。

不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据存储设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在嵌入式Linux应用中，主要的存储设备为RAM(DRAM、 SDRAM)和ROM(常采用FLASH存储器)，常用的基于存储设备的文件系统类型包括：jffs2、 yaffs、 cramfs、 romfs、 ramdisk、 ramfs/tmpfs等。

Flash(闪存)作为嵌入式系统的主要存储媒介，有其自身的特性。Flash的写入操作只能把对应位置的1修改为0，而不能把0修改为1(擦除Flash就是把对应存储块的内容恢复为1)，因此，一般情况下，向Flash写入内容时，需要先擦除对应的存储区间，这种擦除是以块(block)为单位进行的。

闪存主要有NOR和NAND两种技术。Flash存储器的擦写次数是有限的，NAND闪存还有特殊的硬件接口和读写时序。因此，必须针对Flash的硬件特性设计符合应用要求的文件系统；传统的文件系统如ext2等，用作Flash的文件系统会有诸多弊端。

在嵌入式Linux下，MTD(Memory Technology Device,存储技术设备)为底层硬件(闪存)和上层(文件系统)之间提供一个统一的抽象接口，即Flash的文件系统都是基于MTD驱动层的(参见上面的Linux下的文件系统结构图)。使用MTD驱动程序的主要优点在于，它是专门针对各种非易失性存储器(以闪存为主)而设计的，因而它对Flash有更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读/写操作接口。

顺便一提，一块Flash芯片可以被划分为多个分区，各分区可以采用不同的文件系统；两块Flash芯片也可以合并为一个分区使用，采用一个文件系统。即文件系统是针对于存储器分区而言的，而非存储芯片。

(1) jffs2

JFFS文件系统最早是由瑞典Axis Communications公司基于Linux2.0的内核为嵌入式系统开发的文件系统。JFFS2是RedHat公司基于JFFS开发的闪存文件系统，最初是针对RedHat公司的嵌入式产品eCos开发的嵌入式文件系统，所以JFFS2也可以用在Linux, uCLinux中。

Jffs2: 日志闪存文件系统版本2 (Journalling Flash FileSystem v2)

主要用于NOR型闪存，基于MTD驱动层，特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃/掉电安全保护，提供“写平衡”支持等。缺点主要是当文件系统已满或接近满时，因为垃圾收集的关系而使jffs2的运行速度大大放慢。

目前jffs3正在开发中。关于jffs系列文件系统的使用详细文档，可参考MTD补丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。

jffsx不适合用于NAND闪存主要是因为NAND闪存的容量一般较大，这样导致jffs为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大，另外，jffsx文件系统在挂载时需要扫描整个FLASH的内容，以找出所有的日志节点，建立文件结构，对于大容量的NAND闪存会耗费大量时间。

(2) yaffs：Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2是专为嵌入式系统使用NAND型闪存而设计的一种日志型文件系统。与jffs2相比，它减少了一些功能(例如不支持数据压缩)，所以速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。另外，它还是跨平台的文件系统，除了Linux和eCos，还支持WinCE, pSOS和ThreadX等。

yaffs/yaffs2自带NAND芯片的驱动，并且为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的API，用户可以不使用Linux中的MTD与VFS，直接对文件系统操作。当然，yaffs也可与MTD驱动程序配合使用。

yaffs与yaffs2的主要区别在于，前者仅支持小页(512 Bytes) NAND闪存，后者则可支持大页(2KB) NAND闪存。同时，yaffs2在内存空间占用、垃圾回收速度、读/写速度等方面均有大幅提升。

(3) Cramfs：Compressed ROM File System

Cramfs是Linux的创始人 Linus Torvalds参与开发的一种只读的压缩文件系统。它也基于MTD驱动程序。

在cramfs文件系统中，每一页(4KB)被单独压缩，可以随机页访问，其压缩比高达2:1，为嵌入式系统节省大量的Flash存储空间，使系统可通过更低容量的FLASH存储相同的文件，从而降低系统成本。

Cramfs文件系统以压缩方式存储，在运行时解压缩，所以不支持应用程序以XIP方式运行，所有的应用程序要求被拷到RAM里去运行，但这并不代表比Ramfs需求的RAM空间要大一点，因为Cramfs是采用分页压缩的方式存放档案，在读取档案时，不会一下子就耗用过多的内存空间，只针对目前实际读取的部分分配内存，尚没有读取的部分不分配内存空间，当我们读取的档案不在内存时，Cramfs文件系统自动计算压缩后的资料所存的位置，再即时解压缩到RAM中。

另外，它的速度快，效率高，其只读的特点有利于保护文件系统免受破坏，提高了系统的可靠性。

由于以上特性，Cramfs在嵌入式系统中应用广泛。

但是它的只读属性同时又是它的一大缺陷，使得用户无法对其内容对进扩充。

Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在别的文件系统里，使用loopback 设备可以把它安装别的文件系统里。

(4) Romfs

传统型的Romfs文件系统是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统，不支持动态擦写保存，按顺序存放数据，因而支持应用程序以XIP(eXecute In Place，片内运行)方式运行，在系统运行时，节省RAM空间。uClinux系统通常采用Romfs文件系统。

其他文件系统：fat/fat32也可用于实际嵌入式系统的扩展存储器(例如PDA, Smartphone, 数码相机等的SD卡)，这主要是为了更好的与最流行的Windows桌面操作系统相兼容。ext2也可以作为嵌入式Linux的文件系统，不过将它用于FLASH闪存会有诸多弊端。

(1) Ramdisk

Ramdisk是将一部分固定大小的内存当作分区来使用。它并非一个实际的文件系统，而是一种将实际的文件系统装入内存的机制，并且可以作为根文件系统。将一些经常被访问而又不会更改的文件(如只读的根文件系统)通过Ramdisk放在内存中，可以明显地提高系统的性能。

在Linux的启动阶段，initrd提供了一套机制，可以将内核映像和根文件系统一起载入内存。

(2)ramfs/tmpfs

Ramfs是Linus Torvalds开发的一种基于内存的文件系统，工作于虚拟文件系统(VFS)层，不能格式化，可以创建多个，在创建时可以指定其最大能使用的内存大小。(实际上，VFS本质上可看成一种内存文件系统，它统一了文件在内核中的表示方式，并对磁盘文件系统进行缓冲。)

Ramfs/tmpfs文件系统把所有的文件都放在RAM中，所以读/写操作发生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs来存储一些临时性或经常要修改的数据，例如/tmp和/var目录，这样既避免了对Flash存储器的读写损耗，也提高了数据读写速度。

Ramfs/tmpfs相对于传统的Ramdisk的不同之处主要在于：不能格式化，文件系统大小可随所含文件内容大小变化。

Tmpfs的一个缺点是当系统重新引导时会丢失所有数据。

NFS是由Sun开发并发展起来的一项在不同机器、不同操作系统之间通过网络共享文件的技术。在嵌入式Linux系统的开发调试阶段，可以利用该技术在主机上建立基于NFS的根文件系统，挂载到嵌入式设备，可以很方便地修改根文件系统的内容。

以上讨论的都是基于存储设备的文件系统(memory-based file system)，它们都可用作Linux的根文件系统。实际上，Linux还支持逻辑的或伪文件系统(logical or pseudo file system)，例如procfs(proc文件系统)，用于获取系统信息，以及devfs(设备文件系统)和sysfs，用于维护设备文件。

附录：NOR闪存与NAND闪存比较

NOR FLASH

• 接口时序同SRAM,易使用
  

• 读取速度较快
  

• 擦除速度慢，以64-128KB的块为单位
  

• 写入速度慢(因为一般要先擦除)

• 随机存取速度较快，支持XIP(eXecute In Place，芯片内执行)，适用于代码存储。在嵌入式系统中，常用于存放引导程序、根文件系统等。
  

• 单片容量较小，1－32MB
  

• 最大擦写次数10万次
  

NAND FLASH

• 地址/数据线复用，数据位较窄
  

• 读取速度较慢
  

• 擦除速度快，以8－32KB的块为单位
  

• 写入速度快
  

• 顺序读取速度较快，随机存取速度慢，适用于数据存储(如大容量的多媒体应用)。在嵌入式系统中，常用于存放用户文件系统等。
  

• 单片容量较大，8－128MB，提高了单元密度

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