uClinux平台下的Flash存储技术

2 系统设计

Flash在每MB的存储开销上较RAM要昂贵，但对于uClinux系统来说，选择Flash作为存储器具有一定的优势。uClinux系统在上电后，需要运行的程序代码和数据都可以存储在Flash中，甚至放在CPU起始地址中的uClinux启动内核都可以写入Flash中。从一定意义上讲，嵌入式系统只用Flash就可以完成所需的存储功能。
Flash存储器的分区较硬盘的分区更为简单，分区后的Flash使用起来更加方便。典型的Flash分区如下。

SEGMENT PURPOSE
0 Bootloader
1 factory configuration
2
┆ kernel

X
┆ root filesystem
Y

分区0放置Bootloader，分区1放置factory configuration，分区2到分区X放置系统内核，分区X到分区Y放置根文件系统。Flash的分区可以根据需要划分，uClinux中支持Flash存储器的块设备驱动负责定义上述的分区。

和PC机下的Linux不同，Flash的分区把系统内核文件和根文件系统单独划分到两个分区中，而PC机的硬盘是把内核文件和根文件系统放在一个分区内。PC机下Linux的Bootloader是LILO或GRUB。它们在系统启动时能智能地在分区中找到内核文件块，并把它加载到RAM中运行。对于Flash而言，把内核的镜像文件写进一个单独的分区对嵌入式系统有两大优点：①系统可以直接在Flash上运行；②LILO或GRUB更易找到内核代码并加载，甚至可以不用LILO或GRUB引导而直接运行。

内核文件和根文件系统在Flash中的放置，可以根据系统设计需要适当选择。

3 引导程序选择

系统启动之前的引导过程是CPU初始化的过程。包括ARM和X86在内的许多CPU是从固定地址单元开始运行引导程序（Bootloader）的。其它的部分CPU是从某个地址单元读入引导程序的入口地址，然后再运行引导程序，譬如M68K和Coldfire系列。所以这些都影响到Flash中系统启动代码的存放地址。
系统首先要考虑的是在什么地址存放Bootloader，或者说系统从哪个地址单元开始加载运行系统内核代码。

CPU启动后直接运行系统内核是可以实现的。对于uClinux来说，启动代码必须包括芯片的初始化和RAM的初始化等硬件配置；同时加载内核的代码段到RAM中，并清除初始化的数据段内容。尽管这些实现起来很直观，但是要具体把启动代码存放在Flash中正确的地址偏移单元内，使CPU一启动便能执行就比较困难了。不过，现在技术比较先进的CPU都将默认的偏移地址设置为0，或者在偏移地址为0的附近存放起始地址。

Bootloader是一段单独的代码，用以负责基本硬件的初始化过程，并且加载和运行uClinux的内核代码。作为系统启动工具， Bootloader经过配置可以加载Flash中的多个内核，甚至可以通过串口和网口来加载内核和系统的镜像到RAM中运行。Bootloader同时也提供对内核镜像文件的多级别保护，这一点对于以Flash作为存储设备的系统来说非常重要。譬如，当系统进行内核升级和重要数据备份时，系统突然掉电，正如PC机进行BIOS刷写过程中的旧电一样，都是灾难性的。但是利用Bootloader就可以实现保护性的恢复。

目前运行在uClinux上的免费Bootloader有COLILO、MRB、PPCBOOT和DBUG。也有为特殊需求设计的SNAPGEAR和ARCTURUS NETWORKS。

4 uClinux的块驱动器

对于嵌入式系统的块设备，可选择存储文件系统的块驱动器（Block Driver）主要有三种选择。
①Blkmem driver。Blkmem driver仍是uClinux上使用最普通的Flash驱动器。它是为uClinux而设计的，但是它的结构相对比较简单，并且仅支持NOR Flash的操作，需要在RAM中建立根文件系统。同时它也很难配置，需要代码修改表来建立Flash分区。尽管如此，它还是提供了最基本的分区擦/写操作。
②MTD driver。MTD driver是Linux下标准的Flash驱动器。它支持大多数Flash存储设备，兼有功能强大的分区定义和映像工具。借用交叉存取技术（interleaving），MTD driver甚至可支持同一系统中不同类型的Flash，Linux内核中关于 MTD driver配置有较为详细的选择项。
③RAM disk driver。在无盘启动的标准Linux中，用得最多的就是RAM disk driver；但它不支持底层的Flash存储器，仅对根文件系统的建立有意义，即根文件系统压缩以后存放在Flash的什么地方。
通过上面的比较可以看到，MTD driver提供对Flash最有力的支持同，同时它也支持在Flash上直接运行文件系统，譬如JFFS和JFFS2，而B1kmem driver则不支持。

5 根文件系统
uClinux中的文件系统可以有多种选择。通常情况下，ROMfs是使用最多的文件系统，它是一种简单、紧凑和只读的文件系统。ROMfs顺序存储文件数据，并可以在uClinux支持的存储设备上直接运行文件系统，这样可以在系统运行时节省许多RAM空间。

Cramfs是针对Linux内核2.4之后的版本所设计的一种新型文件系统，也是压缩和只读格式的。它主要的优点是将文件数据以压缩形式存储，在需要运行的时候进行解压缩。由于它存储的文件形式是压缩的格式，所以文件系统不能直接在Flash上运行。虽然这样可以节约很多Flash存储空间，但是文件系统运行需要将大量的数据拷贝进RAM中，消耗了RAM空间。

考虑到多数系统需要能够读/写的文件系统，可以使用MTD driver的JFFS和JFFS2日志式文件在Flash头部建立根文件系统（Root Filesystem）。日志式文件系统可以免受系统突然掉电的危险，并且在下一次系统引导时不需要文件系统的检查。由于JFFS和 JFFS2文件格式是特别为Flash存储器设计的，二者都具一种称为“损耗平衡”的特点，也就是说Flash的所有被擦写的单元都保持相同的擦写次数。利用这些特有保护措施，Flash的使用周期得到相当大的提升。JFFS2使用压缩的文件格式，为Flash节省了大量的存储空间，它更优于JFFS格式在系统中使用。值得注意的是，使用JFFS2格式可能带来少量的Flash空间的浪费，这主要是由于日志文件的过度开销和用于回收系统的无用存储单元，浪费的空间大小约是两个数据段。

如果使用RAM disk，一般应选择EXT2文件格式，但EXT2并不是一块特别高效的文件存储空间。由于存在RAM disk上，所以任何改变在下一次启动后都会丢失。当然，也有许多人认为对嵌入式存储空间来讲，这是一种优势，因为每次系统启动都是从已知的文件系统状态开始的。

虽然在Linux下有许多的文件格式可供选择，但是对于uClinux一般只选择上述的几种文件格式。另外一点就是如何在目标系统上建立根文件系统，步骤如下：首先在开发宿主机上建立一个目标机的根文件系统的目录树，然后利用嵌入式根文件系统生成工具在宿主机上生成目录树的二进制文件镜像，最后下载到目标机上就可以了。对于不同的文件格式有不同的二进制镜像生成工具，譬如JFFS的mkfs.jffs2、ISO9660的mkisofs。