在C51系统上实现YAFFS文件系统

随着 NAND Flash 存储器作为大容量数据存储介质的普及，基于 NAND 闪存的文件系统 YAFFS(Yet Another Flash File System)正逐渐被应用到各种嵌入式系统中。本文将详细阐述 YAFFS 文件系统在 C51 系统上的实现过程。1 NAND Flash 的特点非易失性闪速存储器 Flash 具有速度快、成本低、密度大的特点，被广泛应用于嵌入式系统中。Flash 存储器主要有 NOR 和 NAND 两种类型。

NOR 型比较适合存储程序代码;NAND 型则可用作大容量数据存储。NAND 闪存的存储单元为块和页。本文使用的 Samsung 公司的 K9F5608 包括 2 048 块，每一块又包括 32 页，一页大小为 528 字节，依次分为 2 个 256 字节的数据区，最后是 16 字节的备用空间。 K9F5608 具有以下特点： 以页为单位进行读/写操作，而擦除操作以块为单位，读、写和擦除操作均通过命令完成；不能字节擦除，在每次改写操作之前需要先擦除一整块；出厂时有一定比例的坏块存在；每一块的擦除次数有限，为 10 万次左右[1]。

2 YAFFS 文件系统简介 YAFFS 是第一个专门为 NAND Flash 存储器设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备；并且是在 GPL（General Public License）协议下发布的，可在其网站免费获得源代码。 YAFFS 中，文件是以固定大小的数据块进行存储的，块的大小可以是 512 字节、1 024 字节或者 2 048 字节。这种实现依赖于它能够将一个数据块头和每个数据块关联起来。

每个文件（包括目录）都有一个数据块头与之相对应，数据块头中保存了 ECC(Error Correction Code)和文件系统的组织信息，用于错误检测和坏块处理。充分考虑了 NAND Flash 的特点，YAFFS 把这个数据块头存储在 Flash 的 16 字节备用空间中。当文件系统被挂载时，只须扫描存储器的备用空间就能将文件系统信息读入内存，并且驻留在内存中，不仅加快了文件系统的加载速度，也提高了文件的访问速度，但是增加了内存的消耗。

为了在节省内存的同时提高文件数据块的查找速度，YAFFS 利用更高效的映射结构把文件位置映射到物理位置。文件的数据段被组织成树型结构，这个树型结构具有 32 字节的节点，每个内部节点都包括 8 个指向其他节点的指针，叶节点包括 16 个 2 字节的指向物理地址的指针。YAFFS 在文件进行改写时总是先写入新的数据块，然后将旧的数据块从文件中删除。这样即使在修改文件时意外掉电，丢失的也只是这一次修改数据的最小写入单位，从而实现了掉电保护，保证了数据完整性。

结合贪心算法的高效性和随机选择的平均性，YAFFS 实现了兼顾损耗平均和减小系统开销的目的。当满足特定的小概率条件时，就会尝试随机选择一个可回收的页面；而在其他情况下，则使用贪心算法来回收最“脏”的块[2]。 YAFFS 文件系统是按层次结构设计的，分成以下 4 部分： yaffs_guts.c，文件系统的主要算法，这部分代码完全是用可移植的 C 语言编写的；yaffs_fs.c，Linux VFS 层的接口；NAND 接口，yaffs_guts 和 NAND 内存访问函数之间的包装层，例如调用 Linux mtd 层或者 RAM 模拟层；可移植函数，服务的包装函数。

最重要的一点是，为了获得更好的移植性，YAFFS 提供直接调用的模式，这才使得我们有机会来实现 YAFFS 文件系统在 C51 系统上的移植。3 移植过程可在 http://www.aleph1.co.uk/cgi-bin/viewcvs.cgi/ 获得 direct 源码，包括以下几个文件及其头文件。 ◆ yaffscfg.c： 设置各种设备参数和系统参数。 ◆ yaffsfs.c： 主要实现直接调用的接口函数，如打开文件、写文件和关闭文件等。

使用时在应用程序中包含其头文件即可。 ◆ yaffs_flashif.c： NAND Flash 操作函数接口，就是直接对存储器操作的底层函数。为了测试，此文件中用 RAMDISK 模拟的方法实现了对 Flash 存储器的操作。实际应用中，需要修改其中对 Flash 硬件操作函数的定义，包括 yflash_EraseBlockInNAND()、yflash_WriteChunk?ToNAND()、yflash_ReadChunkFromNAND()和 yflash_InitialiseNAND()。

◆ yaffs_guts.c： YAFFS 文件系统的主要实现算法。 ◆ nand_ecc.c:： ECC 算法。 ◆ yaffs_ramdisk.c:： RAMDISK 支持代码。 ◆ yaffs_fileem.c： 用主机上的一个文件来模拟 Flash 存储器，仅用于测试。 ◆ dtest.c:： 直接调用文件系统的测试函数。 获得源码以后，移植的过程可以分为 2 步：① 根据自己的需要进行裁减;② 将代码向 C51 风格转化。

3.1 裁减 YAFFS 是一个功能强大的文件系统，考虑到 C51 系统的程序代码存储器和 RAM 资源都很有限，而应用中可能不需要某些文件操作的功能，所以有必要对这个文件系统进行裁减。裁减包括代码裁减和数据结构的修改。 首先，将用来测试的 yaffs_ramdisk.c、yaffs_ramdisk.h、yaffs_fileem.c 和 interface.h 这几个文件去掉，并在 yaffscfg.c 加上#include yaffs_flashif.h。

本系统中，只是对 K9F5608 中的 3 个数据库文件进行读/写，一级目录足够，单用户不存在操作权限问题，简单的文件存储不涉及连接（Linux 类操作系统文件间的关系）问题，所以可在系统中删除与目录操作、操作权限以及文件连接相关的操作函数。 在 yaffsfs.c 及其头文件中包括（省略 yaffs_前缀）： readlink(), DumpDir(), readdir(), opendir(), lstat(), stat(), freespace(), chmod(), mkdir(), rename()，link()， closedir(), FollowLink(), fstat(), listclear(), fchmod(),sylink()和 mknod()。

在 yaffs_guts.c 及其头文件中包括（省略 yaffs_前缀）： Renameobject(), mknodedirectoty(), mknodSymLink(), mknodSpecial(), Link(), GetAttributes()， GetSymLinkAlias(), root(), LostNFound(), GutsTest(), DumpObject(), GetNumberofFreeChunk()， GetObjectLInkCount()和 GetEquivalentObject()。

然后根据自己的需要进行数据结构修改，与上文提到的目录操作、操作权限以及文件连接相关的数据结构（如 Uid、Gid、nlink 等）对我们来说就没有意义了，因此需要修改相关的数据结构。为了节省内存，还要修改一些宏定义的数据常量，例如同时在运行的句柄数目和文件名的最大长度等。 裁减工作最好能在一台装有 Linux 操作系统的机器上进行，可以边裁减，边利用模拟方式来检查是否能实现自己所需的功能。

3.2 向 C51 风格转化 YAFFS 文件系统是在 Linux 环境下利用开发用户程序的 C 语言开发的。它与 C51 是有些差别的，主要有： ◇ C51 不支持__inline__函数修饰符，可以将其宏定义为空； ◇ u8、u16、u32 都需要重新宏定义成为 C51 的数据类型 unsigned char、unsigned int 和 unsigned long； ◇ off_t 定义为 long。 在 YAFFS 源代码中有用 data 和 bit 作为变量的，而在 C51 中这些都是关键词，须将其替换。

在 YAFFS 源代码中 yaffs_Device 结构体的定义中使用了带参数的函数指针，通过调用该指针指向的函数来对 Flash 硬件进行操作，而 C51 中通过寄存器函数指针来调用函数不能传递实际参数，除非所得参数可在寄存器间传递。因此这里将 yaffs_Device 结构体定义中的函数指针去掉，而直接调用 yaffs_if.c 中的 Flash 接口函数。 向 C51 风格转化时，最好是在 Keil 集成开发环境中一边修改，一边编译，发现错误后再进行修改。

当编译器提示有多个错误时，要从第一个错误开始修改；可能前面的错误修改完毕，后面的错误就不再是错误了。4 C51 系统下的 YAFFS 使用实例下面的程序代码是设计中的对 DBF 数据库文件操作的关键代码。yaffs_StartUp();//设置一些参数，包括各分区在 Flash 中的起始块和结束块的地址、预留块数等 yaffs_mount("/flash"); //YAFFS 支持多个分区，这里选择挂载/flash 分区新建文件 db1.dbff=yaffs_open("/flash/db1.dbf", O_CREAT,S_IREAD | S_IWRITE);yaffs_close(f);//关闭文件 db1.dbff=yaffs_open("/flash/db1.dbf", O_RDWR,0);//以读/写的方式打开文件 db1.dbfr=yaffs_write(f,"hello",5);//向文件写数据 yaffs_lseek(f,2,SEEK_SET);//移动文件读/写指针 r=yaffs_write(f,"world",5);r=yaffs_lseek(f,0,SEEK_SET);r=yaffs_read(f,buffer,10);//从文件读取数据 r=yaffs_close(f);//关闭文件 db1.dbfr=yaffs_unlink("/flash/db1.dbf");//删除文件 db1.dbf 可见， YAFFS 的接口函数的使用方法与标准 C 语言中对文件的操作函数十分相似，简单易用。

5 总结 YAFFS 文件系统是第一个专门为 NAND Flash 存储器编写的嵌入式文件系统。它实现了掉电保护、疲劳均衡和有效的垃圾回收，与 JFFS 相比占用资源更少，运行速度更快；与 FAT 相比，更适合用于管理 NAND Flash 数据存储器。在 C51 系统中如果需要实现 Flash 文件系统，那么移植 YAFFS 是个不错的选择，但是毕竟它是一个在 32 位机的 Linux 下开发出来的，要让它能与 8 位机的 C51 风格完美结合，还需要进一步的努力。

参考文献[1] Samsung 公司. K9F5608?DataSheet. 20031217.[2] 毛勇强，黄光明. YAFFS 文件系统在嵌入式 Linux 上的实现. 电子设计应用,2006(3).来源：单片机与嵌入式系统应用作者：中国海洋大学程凯张俊刚吴常玉