littlefs系列：Technical Specification

1、quick notes

littlefs是block-based文件系统。flash被划分成多个相同大小的block
block pointer是32bits，0xFFFFFFFF表示空指针
除了逻辑block size（通常是erase block size），littlefs还有program block size和read block size，后面两个block size主要是用于flash 读写时的对齐
littlefs采用little-endian order
 

2、Directories/Metadata pairs

metadata pair是littlefs的基石，提供了原子更新的能力。superblock也是存储在metadata pair中。metadata pair存储在两个block中，一个block在另一个block erase的时候提供备份。同一个metadata pair中的两个block并不要求是连续的，可以分散在不同的位置，通过指针链接。

每一个metadata block类似于一个可以追加的log，包含多个commit。commit可以按照顺序追加到metadata block中而不需要erase操作。同时，后续的commit可以取代旧的commit，只有最新的commit才被认为是有效的。

每个metadata block包含一个32-bit的revision count，后面跟着多个commit。每个commit包含一个或多个entry，每个commit的最后是32-bit的CRC。entry不一定是word-aligned。但是每个commit都是program block size对齐的，因此commit与commit之间可能存在padding。

metadata block的主要域：

1）revision count：32bit长。每擦除一次就增加1，如果两个metadata block都包含有效的数据，则使用最新的revision count所在的block。

2）CRC：32bit长。使用0x04c11db7多项式，初始值为0xFFFFFFFF。

3）entry：每个entry以32-bit的tag开始，后面跟着可变长度的数据。

metadata block支持前向和后向的迭代。为了减少重复空间，相邻entry的tag通过XOR连接起来，初始值是0xffffffff。

每个entry中还包含一个valid bit用于指示当前entry和commit有效。

下图是包含4个entry的block。

  .---------------------------------------.
.-|  revision count   |      tag ~A       |        \
| |-------------------+-------------------|        |
| |                 data A                |        |
| |                                       |        |
| |-------------------+-------------------|        |
| |      tag AxB      |       data B      | <--.   |
| |-------------------+                   |    |   |
| |                                       |    |   +-- 1st commit
| |         +-------------------+---------|    |   |
| |         |      tag BxC      |         | <-.|   |
| |---------+-------------------+         |   ||   |
| |                 data C                |   ||   |
| |                                       |   ||   |
| |-------------------+-------------------|   ||   |
| |     tag CxCRC     |        CRC        |   ||   /
| |-------------------+-------------------|   ||
| |     tag CRCxA'    |      data A'      |   ||   \
| |-------------------+                   |   ||   |
| |                                       |   ||   |
| |              +-------------------+----|   ||   +-- 2nd commit
| |              |     tag CRCxA'    |    |   ||   |
| |--------------+-------------------+----|   ||   |
| | CRC          |        padding         |   ||   /
| |--------------+----+-------------------|   ||
| |     tag CRCxA''   |      data A''     | <---.  \
| |-------------------+                   |   |||  |
| |                                       |   |||  |
| |         +-------------------+---------|   |||  |
| |         |     tag A''xD     |         | < |||  |
| |---------+-------------------+         |  ||||  +-- 3rd commit
| |                data D                 |  ||||  |
| |                             +---------|  ||||  |
| |                             |   tag Dx|  ||||  |
| |---------+-------------------+---------|  ||||  |
| |CRC      |        CRC        |         |  ||||  /
| |---------+-------------------+         |  ||||
| |           unwritten storage           |  ||||  more commits
| |                                       |  ||||       |
| |                                       |  ||||       v
| |                                       |  ||||
| |                                       |  ||||
| '---------------------------------------'  ||||
'---------------------------------------'    |||'- most recent A
                                             ||'-- most recent B
                                             |'--- most recent C
                                             '---- most recent D

从上图中可以看出，第一个entry的tag是本entry的原始tag和0xFFFFFFFF进行XOR计算的结果。每个commit的最后一个entry是CRC，包含前一个entry的tag与CRC进行XOR计算的结果，例如1st commit中的entry C之后有tag CxCRC。

 

3、metadata tag

在littlefs中，32-bit的tag代表了所有的metadata类型，包含file entry， directory， global state和CRC。

32-bit的tag格式如上图。32-bit的tag是按照big-endian存储的。这也是littlefs中唯一按照big-endian存储的数据结构。主要是因为valid bit必须是commit的第一个bit，按照big-endian存储会简化代码。0x00000000和0xffffffff都是非法的tag。metadata tag各个域的详细解释如下：

1）valid bit（1-bit）：指示tag是否valid

2）type3（11-bits）：tag的类型。11bit又分为3bit的type1，又叫abstract type和8bit的chunk。0x000是非法的type

3）type1（3-bit）：又叫abstract type

4）chunk（8-bits）和前面的abstract type组合表示多种不同的含义。type1+chunk+id组成一个唯一的id。

5）id（10-bits）：metadata block中的每个文件都有一个唯一的id用于连接文件和tag。0x3ff用来表示不和文件关联的tag，比如目录和global metadata

6）length（10-bits）：data的长度，0x3ff表示这个tag被删除

 

4、metadata type

1）0x401 LFS_TYPE_CREATE

创建新文件时会使用这个id。但是inline file不需要这个tag。创建所做的全部工作就是移动使用此ID的任何文件。从这个意义上说，创建类似于插入虚构的文件数组中。

 

2）0x4ff LFS_TYPE_DELETE

删除文件时使用此id。和create相反，此标记将移至与该id相邻的任何文件，类似于从虚构的文件数组中删除。

3）0x0xx LFS_TYPE_NAME

使用此id关联文件名和文件类型。chunk域表格8-bit的文件类型。

name tag的域如下图：

a）file type（8-bits）：文件类型

b）file name：文件名，ASCII字符串。

 

4）0x001 LFS_TYPE_REG

初始化id+name为普通文件。

 

5）0x002 LFS_TYPE_DIR

初始化id+name为目录。littlefs中目录是通过metadata pair链表的形式存储的，每个pair都包含任意数量的文件，文件按照字母顺序排列。一个指向目录的指针存储在tag结构中。

 

6）0x0ff LFS_TYPE_SUPERBLOCK

初始化id为superblock。super block存储右格式化的配置信息和文件系统识别信息。superblock entry是存储在block0和block1上的一个metadata pairs，并且最后一个通过metadata pair会重复一次作为根目录。

superblock entry的内容存储在type为superblock的name tag和inline tag里。name tag包含『littlefs』字符串，而inline tag包含版本和配置信息。name tag和inline tag的示意图如下：

各域的定义：

a）magic string（8-bytes）：『littlefs』字符串

b）version（32-bits）：高16 bit为主版本号，低16 bit为次版本号

c）block size（32-bits）：logical block size

d）block count（32-bits）：number of blocks

e）name max（32-bits）：文件名的最大长度

f）file max（32-bits）：文件的最大长度

g）attr max（32-bits）：文件属性的最大长度

superblock必须是metadata pair的第一个entry（id 0），也必须是第一个写入到block的entry。这意味着superblock可以通过地址偏移的方式直接读取。

 

7）0x2xx LFS_TYPE_STRUCT

通过id来关联数据结构。数据结构的具体布局取决于数据结构的type（存储在chunk域）。

 

8）0x200 LFS_TYPE_DIRSTRUCT

目录数据结构。littlefs中目录是通过metadata pair链表的形式存储的，每个pair都包含任意数量的文件，文件按照字母顺序排列。

目录结构tag只包含指向本目录的第一个metadata pair的指针。目录的大小只能通过遍历获取。指向本目录另一个metadata pair的指针存储在tail tag中。目录tag的布局如下：

a）metadata pair（8-bytes）：指向本目录的第一个metadata pair。

9）0x201 LFS_TYPE_INLINESTRUCT

inline结构。inline结构主要用于存储小文件。文件直接存储在metadata pair中。文件的数据存储在tag的data字段中。

a）inline data：直接存储在metadata pair的文件数据。

10）0x202 LFS_TYPE_CTZSTRUCT

CTZ skip-list结构。CTZ skip-list结构用来存储大文件。文件存储在反向的skip-list中，一个指针指向skip-list的head。通过skip-list head和文件size信息就足够读取文件了。skip-list的示意图：

对于skip-list可以简单描述如下：

一个block中指针的最大数量由文件的最大长度和block size确定。对于32 bits的文件长度，最小的block size是104 bytes。

CTZ tag的示意图如下：

a）file head（32 bits）：指向位于skip-list的head的block

b）file size（32 bits）：文件大小

 

11）0x3xx LFS_TYPE_USERATTR

用户属性结构。

user_attr各域：

a）attr type（8-bits）：user attribute类型

b）attr data：user attribute数据

 

12）0x6xx LFS_TYPE_TAIL

metadata pair的tail指针。tail指针用来把所有的metadata pairs连接成链表。chunk域包含tail指针的类型。tail指针分为hardtail和softtail。

hardtail：下一个metadata pair属于当前目录

softtail：下一个metadata pair不属于当前目录，只是为了方便文件系统的遍历

通常，metadata pair列表包含所有的metadata pair。但是有些操作导致out of sync，比如掉电，这是『global state』中的sync标志置位。当sync标志置位时：

a）metadata pair链表可能包含孤儿目录

b）metadata pair链表中可能包含和bad block关联的metadata pair，而这个bad block已经被替换了

一旦发现sync被置位，线索链表必须进行校验，如果littlefs是只读的则可以不用。

tail tag 的布局：

各域：

a）tail type（8-bits）：tail指针的类型

b）metadata pair（8-bytes）：指向下一个metadata pair

13）0x600 LFS_TYPE_SOFTTAIL

softtail类型的tail结构，说明下一个metadata pair不属于当前目录，只有在文件系统遍历时才会使用。

14）0x601 LFS_TYPE_HARDTAIL

hardtail类型的tail结构，说明下一个metadata pair属于当前目录。在littlefs中，目录是按照字母顺序排列的，因此下一个metadata pair中包含的文件名只能比当前的要大。

15）0x7xx LFS_TYPE_GSTATE

『global state』结构。

『global state』的大小和格式依赖于type，type存储在chunk域。目前只支持MOVE STATE.

16）0x7ff LFS_TYPE_MOVESTATE

提供『global state』中的move state相关的delta结构。move state主要存储可能会导致文件系统out of sync的操作信息。比如在metadata pairs之间移动文件或者对metadata pair链表本身的操作。

对于move操作，move state包含tag+源metadata pair信息。如果tag不为0，说明在move的过程中可能发生可掉电或者复位，而文件存在于两个不同的位置。对于这种情况，源文件应该被删除。

对于metadata pair链表本身的操作，单独的sync标志用来指示修改，如果sync被置位，线索链表需要校验，

move state tag的布局：

各域：

a）sync bit（1-bit）：指示metadata pair线索链表处于in-sync。如果sync被置位，则链表在使用前需要校验

b）move type（11-bits）：move的类型。0x000表示没有任何move，0x4ff表示源文件需要删除，其他的值均非法

c）move id（10-bits）：需要move的file id

d）metadata pair（8-bytes）：指向含有move的metadata pair

 

17）0x5xx LFS_TYPE_CRC

crc tag。crc表示了commit的结束，同时也提供校验信息。

data字段的前32-bit包含crc32的值。crc32计算时使用的多项式是0x04c11db7，初值是0xffffffff。对于第一个commit，计算crc时会包含revision count。

crc tag的布局：

a）valid state（1-bit）：指出下一个tag的valid bit的值。这样可以确保metadata block中未写入的区域会被识别为无效区域。

b）crc（32-bits）

c）padding：program size对齐
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