解析在U-Boot中实现对Yaffs镜像的支持设计

　　0 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,全称 Universal Boot Loader,是遵循GPL条款的开放源码项目。从FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步发展演化而来。其源码目录、编译形式与Linux内核很相似，事实上，不少U-Boot源码就是相应的Linux内核源程序的简化，尤其是一些设备的驱动程序，这从U-Boot源码的注释中能体现这一点。U-Boot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导，当前，它还支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS嵌入式操作系统。其目前要支持的目标操作系统是OpenBSD, NetBSD, FreeBSD,4.4BSD, Linux, SVR4, Esix, Solaris, Irix, SCO, Dell, NCR, VxWorks, LynxOS, pSOS, QNX, RTEMS, ARTOS.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。

　　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（Yet Another Flash File System）文件系统是专门针对NAND闪存设计的嵌入式文件系统，目前有YAFFS和YAFFS2两个版本，两个版本的主要区别之一在于YAFFS2能够更好的支持大容量的NAND FLASH芯片。

　　Yaffs文件系统有些类似于JFFS/JFFS2文件系统，与之不同的是JFFS1/2文件系统初是针对NOR FLASH的应用场合设计的，而NOR FLASH和NAND FLASH本质上有较大的区别，所以尽管JFFS1/2 文件系统也能应用于NAND FLASH,但由于它在内存占用和启动时间方面针对NOR的特性做了一些取舍，所以对NAND来说通常并不是的方案。

　　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

　　U-Boot可支持的主要功能列表 系统引导；支持NFS挂载、RAMDISK（压缩或非压缩）形式的根文件系统；支持NFS挂载、从FLASH中引导压缩或非压缩系统内核；基本辅助功能 强大的操作系统接口功能；可灵活设置、传递多个关键参数给操作系统，适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布，尤对Linux支持为强劲； 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。

　　（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文件系统镜像到内存中，然后擦除一块FLASH空间，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。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。YAFFS是专门为NAND闪存设计的，它的出现使得价格低廉的NAND闪存芯片具有了高效性和健壮性。YAFFS文件系统性能优越且易于移植，已经成功应用于Linux、mClinux和Windows CE等嵌入式操作系统上。现在，每页大小为2Kb的新型超大容量NAND闪存已经出现，针对这种Flash的文件系统YAFFS2正处于研究和应用当中。可以预见，基于NAND闪存的文件系统YAFFS/ YAFFS2将会应用于更多的嵌入式系统