您之前可能聽說(shuō)過(guò) 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^(guò)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(jì)。
　　固態(tài)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器進(jìn)行存儲(chǔ)。您可以看到 flash 系統(tǒng)被用于個(gè)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(dòng)（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(huì)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(duì)的挑戰(zhàn)。
　　Flash 內(nèi)存技術(shù)
　　Flash 內(nèi)存（可以通過(guò)幾種不同的技術(shù)實(shí)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(lái)。
　　兩種最常見的 flash 設(shè)備類型為：NOR 和 NAND。基于 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(jià)。NAND flash 提供更大容量的同時(shí)實(shí)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(gè)分區(qū)，允許同時(shí)進(jìn)行多個(gè)操作（擦除某個(gè)分區(qū)的同時(shí)讀取另一個(gè)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(duì)塊進(jìn)行獨(dú)特的分段 — 例如，一個(gè)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(gè)常見的限制，即與其他存儲(chǔ)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(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)持久化。NOR flash 內(nèi)存通常一次可以編寫一個(gè)字節(jié)，而 NAND flash 內(nèi)存必須編寫多個(gè)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(gè)特殊的 Erase 操作，該操作可以涵蓋 flash 內(nèi)存中的一個(gè)整塊。NOR 技術(shù)需要通過(guò)一個(gè)準(zhǔn)備步驟將所有值清零，然后再開始 Erase 操作。Erase 是針對(duì) flash 設(shè)備的特殊操作，非常耗費(fèi)時(shí)間。擦除操作與電有關(guān)，它將整個(gè)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(shí)間來(lái)執(zhí)行 Erase 操作，而 NAND 設(shè)備只需要幾毫秒。flash 設(shè)備的一個(gè)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(gè)塊可被擦除 100，000 次，而在 NAND flash 內(nèi)存中可達(dá)到一百萬(wàn)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(gè)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(gè)回收無(wú)效塊的過(guò)程（無(wú)效塊中包含了一些無(wú)效數(shù)據(jù)）。回收過(guò)程包括將有效數(shù)據(jù)移動(dòng)到新塊，然后擦除無(wú)效塊從而使它變?yōu)榭捎谩Ｈ绻募到y(tǒng)的可用空間較少，那么通常將在后臺(tái)執(zhí)行這一過(guò)程（或者根據(jù)需要執(zhí)行）。
　　管理壞塊
　　用的時(shí)間長(zhǎng)了，flash 設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)壞塊，甚至在出廠時(shí)就會(huì)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(wú)效（通過(guò)無(wú)效的錯(cuò)誤校正代碼發(fā)現(xiàn)，Error Correction Code，ECC），那么說(shuō)明出現(xiàn)了壞塊。
　　識(shí)別出壞塊后，將在 flash 內(nèi)部將這些壞塊標(biāo)記到一個(gè)壞塊表中。具體操作取決于設(shè)備，但是可以通過(guò)一組獨(dú)立的預(yù)留塊來(lái)（不同于普通數(shù)據(jù)塊管理）實(shí)現(xiàn)。對(duì)壞塊進(jìn)行處理的過(guò)程 — 不管是出廠時(shí)就有還是在使用過(guò)程中出現(xiàn) — 稱為壞塊管理。在某些情況下，可以通過(guò)一個(gè)內(nèi)部微控制器在硬件中實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)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(dòng)態(tài)平均讀寫 和靜態(tài)平均讀寫 。
　　動(dòng)態(tài)平均讀寫解決了塊的 Erase 周期的次數(shù)限制。動(dòng)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(gè)塊都獲得了相同的使用機(jī)會(huì)。靜態(tài)平均讀寫算法解決了一個(gè)更有趣的問(wèn)題。除了最大化 Erase 周期的次數(shù)外，某些 flash 設(shè)備在兩個(gè) 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(chǔ)的時(shí)間太長(zhǎng)并且被讀了很多次，數(shù)據(jù)會(huì)逐漸消耗直至丟失。靜態(tài)平均讀寫算法解決了這一問(wèn)題，因?yàn)樗梢远ㄆ趯?shù)據(jù)移動(dòng)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)。現(xiàn)在，讓我們看看這些設(shè)備如何組合成為一個(gè)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(jí)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(lái)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(dòng)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(shí)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(duì) flash 系統(tǒng)的通用接口。MTD 可以自動(dòng)檢測(cè) flash 設(shè)備總線的寬度以及實(shí)現(xiàn)總線寬度所需設(shè)備的數(shù)量。