【Vela学习】存储系统

爱笑的七小沐

已于 2025-03-16 21:36:45 修改

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文章标签：学习

于 2025-03-10 23:56:53 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_39645539/article/details/146139929

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一、VFS解析

VFS全称是Virual file system，Linux中的不同文件系统包含FAT、ROMFS、RAMFS等，不同的文件操作系统均包含Open、Close、Read、Write等接口，但不同文件系统的对文件的处理方式是不同的，因此需要单独抽象出一层级作为上层差异性的屏蔽，VFS提供统一的文件操作接口（如struct file_operations），根据不同的文件系统，调用不同的底层接口。VFS实现了对上层应用在不同文件系统下的文件操作接口差异屏蔽，即对上层应用隐藏不同文件系统的实现细节，对驱动开发者来说影响不大，不同的文件系统对应不同的驱动，驱动开发者只需把该封的驱动封完毕即可。

图示VFS在系统中的层级关系：

+---------------------+
|    应用程序层         | 用户空间
| (如ls, cat, 自定义应用)|
+---------------------+
       │
       ▼
+---------------------+
|   系统调用接口         | 如open、read、write等
+---------------------+
       │
       ▼
+---------------------+
|      VFS层           | 内核空间
| - 统一文件操作接口     |
| - 管理inode/dentry缓存|
| - 页缓存（Page Cache）|
+---------------------+
       ├───────────────────┬───────────────────┐
       │                   │                   │
       ▼                   ▼                   ▼
+---------------------+ +---------------------+ +---------------------+
|  Ext4文件系统        | |  YAFFS/FAT文件系统   | |  procfs/sysfs/tmpfs |
+---------------------+ +---------------------+ +---------------------+
       │                   │                   │
       ▼                   ▼                   │
+---------------------+ +---------------------+ 
|   块设备驱动层        | |   字符设备驱动等     | 
| (SCSI, SATA, NVMe)  | | (如终端、打印机驱动)  |
+---------------------+ +---------------------+ 
       │                   │
       ▼                   ▼
+---------------------+ +---------------------+
|   硬件存储设备        | |   其他物理设备       |
| (硬盘、SSD、U盘)     | | (如USB设备、GPU)     |
+---------------------+ +---------------------+

Ex4、FAT等文件系统对应块设备驱动；

procfs/sysfs这类伪文件系统，直接映射内存数据；

二、扇区、页、块的区别

nandflash没有扇区的概念，以块和页作为存储单元，页是最小的读取和写入单元，块是最小的擦除单元。页包括主存储区和备用区，备用区用于存储本页的纠错码等信息，通常占主数据区的3%~5%。嵌入式中的页大小一般是2KB~4KB。

norflash中没有页的概念，以字节进行读取和写入，以扇区作为最小擦除单元，写入前需进行擦除操作（负荷检测单元，存储90天数据，一天天擦除，按扇区进行）。

扇区的由来，是由于早期的数据是以磁盘指针以扇形的形式从存储单元中读取的，故扇区这个名称沿用下来的了。

三、MTD和Yaffs的使用

MTD是Linux内核的基础措施，为上层提供擦除、读、写、坏块管理等操作，其仅提供接口，不涉及文件的组织结构，即仅提供操作文件的能力。

Yaffs是一种专门用于nandflash的文件系统，由于nandflash具有先擦后写等特性，传统的ext4无法有效处理这些特性。

YAFFS通过以下设计适配：

页级管理：以NAND页（Page）为单位组织数据。
OOB（Out-of-Band）空间利用：存储ECC校验码和元数据。

结构图如下：

+-------------------+
|   YAFFS文件系统     | → 文件组织结构、元数据管理
+-------------------+
|      MTD层         | → 原始闪存操作（读/写/擦除）
+-------------------+
| NAND/NOR闪存硬件    |
+-------------------+

依赖关系：YAFFS通过MTD API访问闪存硬件，二者是互补的上下层关系。

若直接使用MTD而不搭配YAFFS（或其他闪存文件系统），系统将无法有效管理文件，也无法保证闪存寿命和数据完整性。

如何我明确定义了nandflash中每一块的作用，yaffs就没法实现磨损均衡了吧？

YAFFS2 的磨损均衡核心是动态选择空闲块进行写入和回收，确保所有块的擦除次数接近。若固定每个块的做用户，磨损机制将失效。

四、MTD系统解析

为什么需要MTD？

MTD实现了坏块管理、错误纠正（ECC）、磨损次数统计。

MTD屏蔽了底层差异，若后续更换Flash芯片，直接底层驱动函数即可，上层无需变化。

VFS→文件系统层（JFFS2/UBIFS）→MTD抽象层→硬件驱动层

MTD如何标记坏块？

驱动加载时，MTD会自动扫描所有块，并加载一个坏块表（BBT）。

nand_scan() → nand_scan_bbt() → nand_memory_bbt() → scan_block_fast() → nand_block_checkbad()

读写操作时，MTD会自动监测当前块的状态，防止写入至坏块中。

mtd_erase() → mtd_erase_nand() → nand_erase_nand() → nand_block_checkbad()

MTD的擦除次数统计给谁用的？

给yaffs文件系统使用，可交由其实现磨损均衡等。

五、OOB

OOB（Out of Band）区域主要用于记录页的相关信息，包括坏块标记和ECC校验码等。‌ OOB区域是NAND Flash存储结构中的一个重要部分，通常位于每个页的末尾，用于存放该页的校验值和其他相关信息。

第一个page的oob区的第6个字节为坏块标记。

六、Flash之间的关系

Nandflash与Norflash的原理均为浮栅晶体管，注意：电流是正电子的移动方向，但电子是负电子的移动方向，通过在基底和控制栅加入压差实现电子的移动。参照如下知乎理解。https://zhuanlan.zhihu.com/p/662232323

NorFlash容量小、价格高、速度快，一般用于主程序存储，也要先擦后写。

Nandflash容量大、价格低，写入前需先擦除，故用于大容量存储，如SSD。

机械硬盘：依靠磁盘与盘片存储，非nandflash类型。