在U-Boot中实现对Yaffs镜像的支持

 

引 言
    U-Boot是目前广泛使用的嵌入式操作系统通用引导程序，具有功能丰富强大，支持多种操作系统和 CPU体系，易于功能扩展和移植，源码开放等多种优点。U-Boot能够同时支持启动加载模式和下载模式。在下载模式下，可以通过U-Boot自带的 nand read／write等命令，配合．Jffs 2等参数，实现cramfs，Jffs 2等文件系统镜像的读写，方便开发过程的调试。Yaffs文件系统是专门针对NAND FLASH设计的可读写型文件系统，在NAND FLASH上性能稳定优异。U-Boot自身没有实现对Yaffs文件系统镜像读写的直接支持。由于Yaffs文件系统的特殊结构，需要对nand命令做一定的修改，从而实现其在NANDFLASH上对Yaffs镜像的读写。

1 相关工作简介
1．1 Yaffs文件系统结构简述
    目前，嵌入式系统中常用的FLASH文件系统有Cramfs，Jffs 2，Yaffs，exfat等。Cramfs是一种压缩型只读型文件系统，其在系统启动时解压至内存中运行。Jffs 2，Yaffs，Exfat等是可读写型文件系统，Jffs 2一般应用于NOR型FLASH；Exfat不是开源的文件系统实现，一般应用于Windows CE操作系统中。Yaffs是一种专门针对NAND FLASH设计的可读写型文件系统，它能针对嵌入式存储器的功能要求提供损耗平衡、掉电保护等。Yaffs文件系统的源代码开放，在多种嵌入式操作系统中移植十分方便。
    通常一个NAND FLASH存储设备由若干块组成；1个块由若干页组成。一般128 MB以下容量的NAND FLASH芯片，一页大小为528 B，依次分为2个256 B的主数据区和16 B的额外空间；128 MB以上容量的NAND FLASH芯片，一页大小通常为2 KB。由于NAND FLASH出现位反转的概率较大，一般在读写时需要使用ECC进行错误检验和恢复。
    Yaffs文件系统的设计充分考虑到NAND FLASH以页为存取单位等的特点，将文件组织成固定大小的段(Chunk)。以528 B的页为例，Yaffs文件系统使用前512 B存储数据、16 B的额外空间，用以存放数据的ECC和文件系统的组织信息等(称为OOB数据)。通过OOB数据，不但能实现错误检测和坏块处理；同时可以避免加载时对整个存储介质的扫描，加快了文件系统的加载速度。一个页面的具体结构如表1所示。

    由此可知，与其他文件系统相比，在生成Yaffs镜像时就包含了OOB数据，所以在烧写Yaffs镜像时，不需要计算ECC，仅依次写入512 B的数据和16 B的OOB数据即可。同时，Yaffs镜像要使用分区上的第一个块来存储一个名为Yaffs_ObjectHeader的结构体。该结构体记录了该分区中的文件、路径以及相关的链接，所以在烧写时还需要跳过第一个可用的块。Yaffs文件系统目前常用的版本为Yaffs 2，性能在许多方面都有了很大的提高。
1．2 U-Boot对常见文件系统的支持
    在实际开发过程中，一般使用引导程序，比如U-Boot，完成文件向FLASH中的烧写和启动引导等工作。U-Boot能够支持Cramfs，Jffs 2文件系统的烧写。这些文件系统是针对NOR型FLASH设计的，所有文件数据就是简单的线性表组织形式。对于目前大量使用的NAND型FLASH，由于带有用于数据校验等功能的OOB区，所以Yaffs文件系统的数据组织形式不再是线性表的形式。
    U-Boot没有提供对Yaffs文件系统的读写支持。但由于该文件系统的读写过程与其他文件系统的读写类似，因此可以通过修改U-Boot的FLASH读写命令，增加处理00B区域数据的功能，即可以实现对Yaffs文件系统的读写支持。

2 具体实现
    在此，采用U-Boot 1．1．6版，NAND FLASH使用三星公司的K9F1208UOM。该NAND FLASH每页为512 B，外加16 B额外空间，整个芯片容量为64 MB。在此之前，已经正确配置了相关的宏定义，并移植了相关NAND FLASH的驱动程序，使U-Boot能够正确操作该芯片。
2．1 为U-Boot添加新的命令
    实际上，U-Boot中已经实现了所需的nand命令，只要编写好正确的NAND FLASH驱动程序，并定义相应的宏，就可实现对NAND FLASH的基本读写操作。欲添加对Yaffs镜像的支持，只要实现一个新的参数即可。为了给下述工作一个清晰的步骤，在此先简述如何向U-Boot中添加一个新命令。以下所述的路径均在U-Boot源码目录下。
    (1)在include／cmd_confdefs．h文件中定义相应命令的宏，不能与已有的宏值重复。
    (2)在common／cmd_name．c中实现命令操作的具体代码，文件名中的name即为相应命令的名称。在这个文件中，首先要编写命令的实现函数；此外还要使用一个U_BOOT_CMD()的宏函数来填写该命令的cmd_tbl_t结构体。该结构体的原型是在include＼command．h 中定义的，包含相应命令的名称、参数个数、实现函数、用法说明、帮助等信息。最后还要修改common／Makefile文件，将该文件添加为编译的目标。
    (3)在相应的开发板头文件(位于include／con-figs／下)中的CONFIG_COMMANDS宏中添加(1)所定义的宏即可使用该命令。
    在实现以上步骤时，参照已有命令的相应代码作适当修改即可。
2．2 为nand命令添加新参数
    根据以上分析，下面给nand命令添加write．yaffs参数，从而实现对Yaffs镜像的支持。按照第2．1节中的步骤，由于nand命令已经实现，仅需要修改com-mon／cmd_nand．c文件即可。
    (1)在common／cmd_nand．c文件的U_BOOT_CMD()宏函数中仿照其他参数，添加该参数的使用说明

       定义读写操作的结构体原型中一部分参数没有使用，这些参数与选择ECC的方式有关，由于Yaffs文件系统已包含了OOB数据，故不使用这些参数。另外， opts．skipfirstblk是向nand_write_options_t结构体中新添加的变量，因此需要修改该结构体。在 include／nand．h中，向struct nand_write_options结构体添加如下变量定义：
    int skipfirstblk；
    此外，需要再修改nand_write_opts函数，以增加对此变量的支持。
2．3 修改nand_write_opts函数
    在drivers／nand／nand_util．c中，根据其代码，在while(blockstart!=(mtdoffset&(～erasesize_blockalign+1)))循环体之后添加如下代码：

    通过以上步骤，U-Boot已经可以支持Yaffs文件系统镜像的读写。一般地，在进行NAND FLASH写操作时，可以先通过串口或网络等接口将数据下载到内存中，进而按照命令格式将其烧写到NAND FLASH中。例如：

    在U-Boot中使用以上三条命令，将名为test．yaffs的Yaffs文件系统镜像下载到内存中，然后擦除一块FLASH空间，最后用Nand Write．yaffs命令将其写入NAND FLASH。烧写完毕后会提示：
    Writing data at 0xd67200-100％complete．
    3663264 bytes written：OK
    另外，由于没有使用ECC，烧写过程中会有大量如下提示：
    Writing data without ECC to NAND_FLASH is not recom-mended
    事实上，ECC数据在生成Yaffs镜像时已经包含在镜像里，因此这里的提示并没有关系。在drivers／nand／nand_basec.c文件中，将nand_write_page函数中case NAND_ECC_NONE：语句分支中的printk函数注释掉即可消除此提示。

3 Yaffs文件系统的性能
    在实际使用中，一般CPU的运行速度远大于FLASH的读写速度，所以yaffs文件系统的读写速度主要由具体FLASH芯片的读写时间延迟来决定。
    对于常使用的Yaffs 2，写操作的速度为1．5～4．5 MB／S，读操作的速度为7．6～16．7 MB／S，删除操作为7．8～62．5 MB／s，垃圾回收为2．1～7．7 MB／s。由于一般嵌入式系统数据交换量不大，所以该文件系统完全能够满足一般实时性操作的要求。
    此外，作为日志型文件系统，Yaffs文件系统能够有效地保护数据完整性，避免系统掉电等情况对数据产生的破坏。同时，与其他FLASH文件系统相比， Yaffs文件系统的实现给NAND型FLASH带来了很多优化，在速度、内存占用以及能耗等方面都有更好的表现。

4 结 语
    这里在分析Yaffs文件系统基本结构的基础上，通过为U-Boot已有命令添加新的参数，实现了U- Boot读写Yaffs文件系统镜像的支持。最后通过一个简单试验进行了验证。结果表明，烧写入FLASH中的文件系统镜像可以被嵌入式Linux等操作系统的内核挂载使用。方便了嵌入式系统的Yaffs根文件系统镜像的创建和调试。