VxWorks文件系統和Flash的TFFS設計與實現

0 引言

在VxWorks的應用系統中，基于flash的文件系統通常都采用DOS+FAT+FTL的結構。

一般情況下，磁盤文件系統大多是基于sector的文件系統，磁盤按照物理上分為柱面、磁盤、扇區，扇區是基于塊的文件系統操作的基本存儲單位，磁盤的容量都是根據這些數據計算出來的，每個扇區大小通常都是512bytes。

VxWorks文件系統中的DOSFS是MS-DOS兼容的文件系統，可基于塊對物理介質進行操作。由于Fish的物理特性，對Flash作基于塊(不同于Flash的擦除塊)的操作必須由軟件作封裝實現，這就是TFFS所起的作用。

1 VxWorks文件系統的總體結構

VxWorks文件系統的總體結構以及TFFS在整個文件系統的位置如圖l所示。



Tomado下的TFFS文件系統是Tornado的一個可選組件，它可為種類繁多的Flash設備提供一個統一的塊設備接口。在Tornado2.2版本中自帶的TFFS版本為2.0，在文件系統中，TFFS的功能相當于磁盤驅動，通過TFFS可使上層的DOSFS或RTll文件系統像操作普通的標準磁盤一樣來操作Flash。

2 TFFS文件系統的分層

圖2所示為TFFS文件系統的分層圖。圖中的Core Layer內核層可將其他層連接起來協同工作；翻譯層主要實現DOS和TFFS之間的交互、管理文件系統和Flash各個物理塊的關系，同時支持TFFS的各種功能，如磨損均衡、錯誤恢復等；MTD層執行底層的程序驅動(map、read、write、erase等)；socket層的名稱來源于可以插拔的socket存儲卡，主要提供與具體的硬件板相關的驅動。



3 FTL層分析

FTL是TFFS文件系統的核心，它是PCMCIS的一項標準，意思是Flash Translation Laycr Specification，這種類型的文件系統是目前嵌入式系統中最流行的，很多公司都提供這種文件系統的相關解決方案。

PTL為DOS BPB／FAT與Flash之間的中間層，FTL利用現成的基于塊的文件系統(例如DOSFS)來實現應用層的操作，實質上就是在Flash設備上模擬磁盤塊設備的實現，為基于塊的文件系統提供統一的接口。FTL通過以下幾步來模擬磁盤驅動：首先是在Flash擦除塊之外定義小的讀寫塊(相當于磁盤扇區)；其次是邏輯扇區(對塊文件系統如DOSFS呈現的地址)和物理地址(Flash的實際地址)之間的轉換；然后管理Flash，使得能在空閑的地方寫入數據。其核心就是將DOS上的扇區映射到Flash上去。

為了實現DOS層從邏輯上看扇區是連續的，可隨時對任意bit讀寫操作，FTL必須提供對Flash芯片的管理，包括向上層(DOS層)提供可以任意讀寫的操作接口，向下對Flash的擦除、寫入、讀取統一管理，同時還必須提供磨損均衡，以防止一個擦除塊提前損壞。

3.1 FTL的啟動過程分析

在我們調用函數tffsDevCreate創建TFFS文件系統時，會以參數FL_MOUNT_VOLUME調用函數flcall→mountvolume→flmount→mountFTL，函數mountFTL是FTL層的加載函數人口，處理過程首先是初始化FTL，然后就可按下列步驟進行：

(1)查找第一個合法的unit頭信息

合法性的判斷依據是unit header頭上的標志CISF．．FTL100和部分頭部的flag信息，由于bsp已把FS的相關信息注冊到FTL的數據結構中，所以，FTL層可以找到第一塊unit，并可以向后查，直到找到合法的unit為止。

(2)檢驗信息合法性

將所有有用的信息都讀出到內部數據結構中后，即可檢驗信息合法性。由于unit header中的Unit ID和擦除次數都相同，所以整個文件系統的共用信息都可以從首先找到的頭中讀出來。

(3)給Mount每一個unit建立page表

這是mount最重要的過程，對每個unit調用mountunit()函數，并在mountunit()函數中首先判斷，如果是非法unit，則作為交換unit，然后對每個BAM選項進行處理，并對垃圾BAM、空閑BAM進行統計，如果是緩沖的BAM數據和交換page的VBM，則將此page的邏輯扇區信息記錄到內存的page表中，以便后續映射訪問查詢使用，而對于非緩沖的BAM數據，則不作處理，另外，對于交換page的VBM，則進行記錄。考慮到上述過程，可見其系統中的page VBM和緩沖的數據BAM分布在各個unit的各個角落，需要將所有的VBM和緩沖數據BAM收集起來建立整個交換page表，這是FTL標準層設計時就要決定的。

(4)檢驗邏輯unit的完整性

當所有的unit都mount完成后，每個邏輯unit都應存在，否則mount失敗。

(5)判斷并關閉交換page

如果系統中已存在交換page，則對系統中存在的交換page進行關閉操作，以便后面檢查page的完整性。

(6)檢查page的完整性

系統中的page表必須是完整的，這個表中包含有緩沖的數據BAM映射信息和更重要的page映射信息，因此，缺少任何一個，都將導致DOS的虛擬扇區無法映射到相應的邏輯扇區。

從上述過程可見，整個mount過程是將文件系統信息讀入內存數據結構并檢驗的過程，這個Mount PTL過程完成后，mountvolume ()函數即將隱蔽的0扇區和DOS的啟動扇區信息讀入內存數據結構，這樣，DOS就可以訪問FTL底層扇區了。

3.2 TFFS的塊映射

圖3中，FTL層將DOS上連續的扇區映射到Flash上某個R／W block塊中，同時在某個位置記錄一個映射表(稱為MAP表)，該表中記錄了DOS的扇區映射到Flash中的哪個block，當DOS要進行讀操作時，FTL首先查詢這個MAP，以獲得映射信息，然后讀取相應的block信息并返回給DOS，從而實現讀映射。當DOS需要寫入操作時，可能存在將bit0修改為1的情況，于是FTL層將申請一個新的block塊，并將新信息寫入，然后修改map信息，記錄這個DOS扇區已經重新映射了，從而實現寫映射。所以，從邏輯上看，FTL層就實現了DOS扇區的映射和FLASH的寫入管理。