非排序块映像文件系统(UBIFS)的研究与实现

摘要

随着电子技术的不断发展，嵌入式系统越来越多地在控制类、消费类、通讯类等电子产品中广泛应用。Flash具有低成本、容量大、非易失、抗震荡等优点，在目前的嵌入式系统中被广泛用作外存储器件。随着Flash技术的成熟与容量的增加，如何高效的管理基于Flash存储器的存储系统并延长Flash存储器预期寿命的问题正成为制约Flash存储器发展和应用的技术瓶颈。UBIFS提供了灵活高效的损耗均衡机制，在UBIFS机制下研究高性能的Flash存储器损耗均衡算法，对于延长Flash存储器的预期寿命，具有重要意义。
　　 通过分析发现，现有的Flash文件系统主要存在物理擦除块擦除次数的均衡程度不够理想；在实现损耗均衡的过程中，部分算法增加了较多的擦除操作等方面的不足。针对这些不足，本文研究的主要目的是提出一种基于UBIFS的综合考虑Flash可用空间和系统I/O负载的自调节损耗均衡算法来提高Flash文件系统损耗均衡性能和I/O性能。
　　 本文首先介绍课题研究的背景与意义，国内外损耗均衡算法的研究现状和本文的主要工作。其次，分析了Flash的相关理论，包括Flash存储器的相关技术以及Flash设备的硬件特性，并对多种Flash文件系统进行了分析。此外，还分析了结构化日志文件系统的设计思想和实现方法以及其优点和不足，并以JFFS2为例分析结构化日志Flash文件系统的关键技术，包括损耗均衡算法、垃圾回收算法以及文件数据属性对损耗均衡和垃圾回收算法设计的影响，并通过实验验证对JFFS2加载时间和损耗均衡算法的分析。最后，基于UBIFS损耗均衡算法的实现。分析了UBIFS文件系统中的擦除块的组织与管理特点，以及保护机制和损耗均衡触发条件，在此基础上给出了UBIFS中损耗均衡的实现，通过实验分析损耗均衡条件对系统I/O性能的影响。在UBI系统框架内提出一个综合考虑Flash可用空间和系统I/O负载的自调节的损耗均衡算法，新算法对Flash文件系统损耗均衡性能和I/O性能的提升通过实验得到了验证。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1嵌入式系统的发展现状

1.2.2损耗均衡算法

1.3本文研究的目的和内容

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

2 FLASH相关理论

2.1 FLASH存储器技术

2.1.1概述

2.1.2 NAND FLASH内部结构

2.1.3 NAND FLASH技术特点

2.1.4 NAND FLASH指令操作

2.2 FLASH存储器的存储设备

2.2.1 FLASH存储设备系统结构

2.2.2基于控制器的FLASH存储设备

2.2.3 MTD设备

2.3 FLASH文件系统

2.3.1引言

2.3.2 FTL

2.3.3 JFFS2

2.3.4 UBI/UBIFS

2.3.5 YAFFS2

2.3.6 LogFS

2.4本章小结

3结构化日志FLASH文件系统关键技术

3.1结构化日志文件系统

3.1.1结构化日志文件系统的设计思想

3.1.2结构化日志文件系统的实现

3.1.3结构化日志文件系统的优点与不足

3.2结构化日志在FLASH文件系统中的应用

3.2.1结构化日志的FLASH文件系统

3.2.2损耗均衡与垃圾回收

3.2.3数据属性对损耗均衡和垃圾回收的影响

3.3本章小结

4基于UBIFS的损耗均衡算法实现

4.1 UBIFS文件系统中物理块的组织与管理

4.1.1头部数据

4.1.2物理块的状态

4.1.3物理块的管理

4.1.4损耗均衡单元对物理擦除块的组织

4.2 Flash上数据结构

4.2.1擦除块上的头结构

4.2.2擦除计数器的更新

4.2.3逻辑映射头的结构的安装

4.3内存上的数据结构

4.3.1 Linux内核链表

4.3.2红黑树

4.3.3 WL节点

4.4保护机制

4.5损耗均衡触发条件

4.6 UBIFS中损耗均衡的实现

4.7损耗均衡对系统I/O性能的影响

4.7.1实验环境

4.7.2实验结果与分析

4.8自调节的损耗均衡算法

4.8.1算法分析

4.8.2算法实现

4.8.3实验分析

4.9本章小结

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

致 谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士论文期间发表的论文