基于nand flash的文件系统的整理

一、            Nandflash简介

基本概念：flash芯片、block、page、附加页

1.1结构

Flash芯片的擦除以块为单位，写以页为单位。在每个flash芯片中包括非常多的块，同款芯片上每个块的大小相同（2MB、4MB..）,在每个块上包含多个页，每个页大小相同。在每个页面后都跟随着一个附加页，用来对对应页面进行标记或者对页上的数据进行校验，页面通常的大小为2Kb+64byte、512byte+32byte、1024byte+64byte等。结构如图1.1所示：

图1.1,nand flash结构示意图

1.2   特点（对于flash的研究主要是针对其特点优化其性能或者克服其缺点）

1.        Nand flash不是通常意义上的块设备，块设备的特点是可以对数据块进行读、写操作（如磁盘，文件系统等），但是对于Nand flash来说有三种操作分别是：读、写、擦除。只有对已擦除的块才能进行写操作。所以为了使其兼容传统的硬件和系统，需要对其进行特殊处理；

2.        当一个闪存处在干净状态时（被擦除过，但是还没有写操作发生），这块flash上的每一位（bit）都是逻辑1；

3.         nand flash不可以片上执行，但是存储密度大，因此常作为存储介质使用；

4.         Nand flash是按位寻址的，意味着可以从一块闪存的任意偏移地址读数据；

5.         闪存的使用寿命是有限的，具体来说，闪存的使用寿命是由擦除块的最大可擦除次数来决定的。超过了最大可擦除次数，这个擦除块就成为坏块（bad block）了。因此要避免某个擦除块被过度使用，以至于先于其他擦除块变成坏块，应该在尽量少影响性能的前提下，使擦写操作均匀分布在每个擦除块上，叫做损耗均衡（wear leveling）。

 

二、文件系统简介

文件系统是对于文件和存储空间的组织和管理，并对内核提供调用接口。主要是对数据结构的设计。在一定程度上类似数据库ACID（原子性、一致性、隔离性、持久性）的设计理念。

2.1文件系统结构

传统文件系统ext2与基于flash设备的文件系统在系统中的位置对比图。

图2.1各文件系统对比图

2.2 目前成熟的可以使用在非易失存储器上的典型的文件系统

为了在掉电或者系统崩溃情况数据的一致性，很多文件系统都增加了日志的功能。日志文件系统(journaling file system)一般执行步骤如下：

1.        预备：当系统要写入一个文件时，会现在日志记录块中记录某个文件准备要写入的信息；

2.        实际写入：开始写入文件的权限与数据；开始更新meta data的数据；

3.        结束：完成数据与meta data的更新后，在日志记录块中完成该文件的记录

在日志系统的帮助下，万一的记录过程中发生了问题，那么系统只需要检查日志记录块就可以知道哪个文件发生了问题，针对该问题做一致性检查即可，不必对整个文件系统做检查，从而达到快速修复文件系统的目的。

 

2.2.1  Ext2\ext3\ext4文件系统

Ext2可以通过FTL实现对flash的支持，FTL可以将闪存flash模拟成磁盘结构，从而实现对基于磁盘的文件系统的支持，但是效率比较低。Ext2文件系统结构如图2.2.1.1所示

图2.2.1.1 ext2文件系统结构图

各名词解释如下：

1.        超级块(super block)：记录此文件系统的整体信息，包括inode/block的总量、使用量、剩余量，以及文件系统的格式与相关信息；

2.        i节点(inode)：记录文件的属性，一个文件占用一个inode，同时记录此文件的数据所在的block号码；

3.        block：实际记录文件的内容，若文件太大时会占用多个block。