VxWorks文件系统、Flash的TFFS设计与实现
0 引言
在vxworks的应用系统中，基于flash的文件系统通常都采用dos+fat+ftl的结构。
一般情况下，磁盘文件系统大多是基于sector的文件系统，磁盘按照物理上分为柱面、磁盘、扇区，扇区是基于块的文件系统操作的基本存储单位，磁盘的容量都是根据这些数据计算出来的，每个扇区大小通常都是512bytes。
vxworks文件系统中的dosfs是ms-dos兼容的文件系统，可基于块对物理介质进行操作。由于fish的物理特性，对flash作基于块(不同于flash的擦除块)的操作必须由软件作封装实现，这就是tffs所起的作用。
1 vxworks文件系统的总体结构
vxworks文件系统的总体结构以及tffs在整个文件系统的位置如图l所示。
tomado下的tffs文件系统是tornado的一个可选组件，它可为种类繁多的flash设备提供一个统一的块设备接口。在tornado2.2版本中自带的tffs版本为2.0，在文件系统中，tffs的功能相当于磁盘驱动，通过tffs可使上层的dosfs或rtll文件系统像操作普通的标准磁盘一样来操作flash。
2 tffs文件系统的分层
图2所示为tffs文件系统的分层图。图中的core layer内核层可将其他层连接起来协同工作；翻译层主要实现dos和tffs之间的交互、管理文件系统和flash各个物理块的关系，同时支持tffs的各种功能，如磨损均衡、错误恢复等；mtd层执行底层的程序驱动(map、read、write、erase等)；socket层的名称来源于可以插拔的socket存储卡，主要提供与具体的硬件板相关的驱动。
3 ftl层分析
ftl是tffs文件系统的核心，它是pcmcis的一项标准，意思是flash translation laycr specification，这种类型的文件系统是目前嵌入式系统中最流行的，很多公司都提供这种文件系统的相关解决方案。
ptl为dos bpb／fat与flash之间的中间层，ftl利用现成的基于块的文件系统(例如dosfs)来实现应用层的操作，实质上就是在flash设备上模拟磁盘块设备的实现，为基于块的文件系统提供统一的接口。ftl通过以下几步来模拟磁盘驱动：首先是在flash擦除块之外定义小的读写块(相当于磁盘扇区)；其次是逻辑扇区(对块文件系统如dosfs呈现的地址)和物理地址(flash的实际地址)之间的转换；然后管理flash，使得能在空闲的地方写入数据。其核心就是将dos上的扇区映射到flash上去。
为了实现dos层从逻辑上看扇区是连续的，可随时对任意bit读写操作，ftl必须提供对flash芯片的管理，包括向上层(dos层)提供可以任意读写的操作接口，向下对flash的擦除、写入、读取统一管理，同时还必须提供磨损均衡，以防止一个擦除块提前损坏。
3.1 ftl的启动过程分析
在我们调用函数tffsdevcreate创建tffs文件系统时，会以参数fl_mount_volume调用函数flcall→mountvolume→flmount→mountftl，函数mountftl是ftl层的加载函数人口，处理过程首先是初始化ftl，然后就可按下列步骤进行：
(1)查找第一个合法的unit头信息
合法性的判断依据是unit header头上的标志cisf．．ftl100和部分头部的flag信息，由于bsp已把fs的相关信息注册到ftl的数据结构中，所以，ftl层可以找到第一块unit，并可以向后查，直到找到合法的unit为止。
(2)检验信息合法性
将所有有用的信息都读出到内部数据结构中后，即可检验信息合法性。由于unit header中的unit id和擦除次数都相同，所以整个文件系统的共用信息都可以从首先找到的头中读出来。
(3)给mount每一个unit建立page表
这是mount最重要的过程，对每个unit调用mountunit()函数，并在mountunit()函数中首先判断，如果是非法unit，则作为交换unit，然后对每个bam选项进行处理，并对垃圾bam、空闲bam进行统计，如果是缓冲的bam数据和交换page的vbm，则将此page的逻辑扇区信息记录到内存的page表中，以便后续映射访问查询使用，而对于非缓冲的bam数据，则不作处理，另外，对于交换page的vbm，则进行记录。考虑到上述过程，可见其系统中的page vbm和缓冲的数据bam分布在各个unit的各个角落，需要将所有的vbm和缓冲数据bam收集起来建立整个交换page表，这是ftl标准层设计时就要决定的。
(4)检验逻辑unit的完整性
当所有的unit都mount完成后，每个逻辑unit都应存在，否则mount失败。
(5)判断并关闭交换page
如果系统中已存在交换page，则对系统中存在的交换page进行关闭操作，以便后面检查page的完整性。
(6)检查page的完整性
系统中的page表必须是完整的，这个表中包含有缓冲的数据bam映射信息和更重要的page映射信息，因此，缺少任何一个，都将导致dos的虚拟扇区无法映射到相应的逻辑扇区。
从上述过程可见，整个mount过程是将文件系统信息读入内存数据结构并检验的过程，这个mount ptl过程完成后，mountvolume ()函数即将隐蔽的0扇区和dos的启动扇区信息读入内存数据结构，这样，dos就可以访问ftl底层扇区了。
3.2 tffs的块映射
图3中，ftl层将dos上连续的扇区映射到flash上某个r／w block块中，同时在某个位置记录一个映射表(称为map表)，该表中记录了dos的扇区映射到flash中的哪个block，当dos要进行读操作时，ftl首先查询这个map，以获得映射信息，然后读取相应的block信息并返回给dos，从而实现读映射。当dos需要写入操作时，可能存在将bit0修改为1的情况，于是ftl层将申请一个新的block块，并将新信息写入，然后修改map信息，记录这个dos扇区已经重新映射了，从而实现写映射。所以，从逻辑上看，ftl层就实现了dos扇区的映射和flash的写入管理。
3.3 垃圾收集过程
ftl格式化后，可用扇区将被不断申请使用，原有扇区被不断的废弃，系统中可用的free扇区越来越少，但这并不是由于上层dos真的使用了这么多扇区，而是ftl为了方便管理、为了不需要每次擦除一块而付出的管理代价。所以，当系统中的可用扇区少于用户要申请写入的扇区时，ftl层就必须解决这些垃圾问题，这个过程在ftl中称为垃圾回收(garbage collect)。
当ftl中的可用sector小于用户要申请的扇区时，系统将启动垃圾收集，但系统中有很多个unit，到底收集哪个unit呢?ftl会考虑磨损均衡，它将采用一个伪随机的算法来决定收集策略：即用4／256的几率选择磨损情况少的块来收集；252／256的几率则根据垃圾最多为第一条件，当垃圾一样时，判断磨损次数小的优先选择。
3.4 ffl创建的dos
tffs的格式化函数需要调用tffsdevformat来格式化，而不需要调用dosfsvolformat来格式化；另外，在tffsdevformat格式化参数中，需要传人的参数含有fat个数参数，其原因是dos是ftl层创建的，而不是在ftl基础上创建的，下面是tffs的整个格式化过程：
tffsdevformat→flcall(fl_format_volume)→formatvolume→format→formatftl；
其中，函数formatftl是执行ftl层格式化的操作函数，操作时，首先根据格式化参数和bsp参数对内部数据结构初始化；然后再对每个unit进行格式化，在擦除后，即可写入unitheader信息和控制bam值；之后写入unit no；最后申请每个page的空间；
上述formatftl函数执行完以后，ftl就已经准备好，可以接受上层的扇区读写函数了(当然还没有内容可以读写)。
在函数formatvolume中，mount可进行卷操作，当内存的数据结构准备好后，ftl层即可调用函数fldosformat来创建dos。其中首先创建隐藏扇区，以用于记录该卷的部分信息，然后分别创建mbr、fat和root目录；这样，dos创建完成后，再执行dosfsdevcreat函数，当然就无须格式化，找到0扇区自然就找到了mbr，因为dos是ftl创建的。
从更深层次讲，ftl层之所以创建dos层，是因为只有ftl层才知道有哪些扇区是可以供dos使用的，哪些扇区是dos不能使用的(作为ftl层管理使用)，也正是因为dos层不了解ftl层的运作情况，所有的扇区映射关系都被ftl层隐蔽，因而导致dos层无法在上层作出有利于flash擦写等优化动作，如大文件写入时的字节数更新，fat表更新等操作，都会严重浪费ftl层的映射关系运算。
4 基于m25p32 spi flash的tffs设计
对于tffs的实现，涉及到config.h、systffs.c、tffsconifg.c、tffsmtd.c、makefile几个文件的配置和修改，其中编译是通过建立一个downloadalbe的tomado工程，来把这几个．c源文件编译进去生成．pl文件提供给bsp工程，而后由bsp工程把．pl文件编译进去，从而生成bootable image。
4.1 config．h的相关配置
要在vxworks映像中加入tffs文件系统，需要加入相关的组件，虽然也可以在该文件中直接加入相应的配置宏，但很容易造成遗漏和有些需要依赖的宏没有定义或者冲突，本文采用的方法是建一个bootable的tornado工程，而后在这个工程中通过加入tffs和dosfs的相关组件来编译这个工程，从而生成一个prjparams．h文件，该文件里就包含了刚刚加入的组件对应的宏，因而，组件与组件之间依赖也是安全的，不会有任何冲突，最后再在config．h中包含这个文件即可。
4.2 systffs．c文件的修改
该文件用于提供socket层的bsp实现代码。如果镜像文件包含tffs相关组件，那么，系统启动时就会按照如下过程自动调用systffsinit()函数：
usrroot()→tffsdrv()→flinit()→flregistercomponent ()→systffslnit ()
systffsinit ()函数会依次调用socket注册函数simmregisterofsl ()，注册函数数量视需要构建的文件系统数量而定，本文构建了1个文件系统ofsl，并在simmregisterofsl()函数中对文件系统的基地址进行了设置，同时对flsocket()结构体中的毁掉处理函数进行了挂接，挂接函数也在该文件中实现，如卡上电、断电、写保护等。
对systffsformaofsl()函数的格式化参数可根据自己的需要进行修改。
4.3 tffsconfig．c和tffsmtd．c文件的修改
tffsconfig．c文件的修改就是在mtdtalbe []表中注册flash识别函数iunifiedidentifyofsl()；而tffsconfig．c文件则用于实现iunifiedldentifyofsl()函数，iunifiedidentifyofsl()函数对flflash结构体中的回调函数进行了挂接，如flash的读、写、擦除等，挂接函数的具体实现可在dry_mvsflash．cpp文件中以一个类的方式提供针对m25p32 spi flash操作的所有驱动接口。
4.4 tffs文件系统的安装
通过上面的过程，socket层和mtd层就都准备好了，下面便可以安装tffs文件系统。安装时，首先用systffsformatofsl()函数按照上面设定的参数格式化tffs文件系统，而后通过usrtffsconfig(0，0，”ofsl”)函数接口在已建好的tffs上挂接dos文件系统，成功后，即可通过open、read、write等来操作flash上的文件系统，也可以通过ftp方式用ie访问该文件系统中的内容。
4.5 makefile文件的修改
对于makefile的修改非常简单，因为几个和tffs相关的源文件都是以．pl的方式被链人bsp工程的，所以只需要在makefile文件中把这个文件加入即可，即在makefile中加了如下的宏定义：
mach_extra+=．．／armpri／armarch5gnu／armbspprj．pl
5 结束语
本文对vxworks下tffs文件系统的层次结构和ftl层的启动过程、块映射算法、垃圾回收算法以及用ftl创建dosfs进行了分析，给出了在m25p32 spi flash上创建tffs文件系统和将tffs挂在dosfs的实现方法。通过对tffs核心层fil的分析给出的tffs实现方法，可以从更基础的层面来认识vxworks中的tffs文件系统，从而给tffs文件系统的问题定位和实现带来新的方法。
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1 vxworks文件系统的总体结构
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2 tffs文件系统的分层
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3 ftl层分析
ftl是tffs文件系统的核心，它是pcmcis的一项标准，意思是flash translation laycr specification，这种类型的文件系统是目前嵌入式系统中最流行的，很多公司都提供这种文件系统的相关解决方案。
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为了实现dos层从逻辑上看扇区是连续的，可随时对任意bit读写操作，ftl必须提供对flash芯片的管理，包括向上层(dos层)提供可以任意读写的操作接口，向下对flash的擦除、写入、读取统一管理，同时还必须提供磨损均衡，以防止一个擦除块提前损坏。
3.1 ftl的启动过程分析
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(1)查找第一个合法的unit头信息
合法性的判断依据是unit header头上的标志cisf．．ftl100和部分头部的flag信息，由于bsp已把fs的相关信息注册到ftl的数据结构中，所以，ftl层可以找到第一块unit，并可以向后查，直到找到合法的unit为止。
(2)检验信息合法性
将所有有用的信息都读出到内部数据结构中后，即可检验信息合法性。由于unit header中的unit id和擦除次数都相同，所以整个文件系统的共用信息都可以从首先找到的头中读出来。
(3)给mount每一个unit建立page表
这是mount最重要的过程，对每个unit调用mountunit()函数，并在mountunit()函数中首先判断，如果是非法unit，则作为交换unit，然后对每个bam选项进行处理，并对垃圾bam、空闲bam进行统计，如果是缓冲的bam数据和交换page的vbm，则将此page的逻辑扇区信息记录到内存的page表中，以便后续映射访问查询使用，而对于非缓冲的bam数据，则不作处理，另外，对于交换page的vbm，则进行记录。考虑到上述过程，可见其系统中的page vbm和缓冲的数据bam分布在各个unit的各个角落，需要将所有的vbm和缓冲数据bam收集起来建立整个交换page表，这是ftl标准层设计时就要决定的。
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如果系统中已存在交换page，则对系统中存在的交换page进行关闭操作，以便后面检查page的完整性。
(6)检查page的完整性
系统中的page表必须是完整的，这个表中包含有缓冲的数据bam映射信息和更重要的page映射信息，因此，缺少任何一个，都将导致dos的虚拟扇区无法映射到相应的逻辑扇区。
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当ftl中的可用sector小于用户要申请的扇区时，系统将启动垃圾收集，但系统中有很多个unit，到底收集哪个unit呢?ftl会考虑磨损均衡，它将采用一个伪随机的算法来决定收集策略：即用4／256的几率选择磨损情况少的块来收集；252／256的几率则根据垃圾最多为第一条件，当垃圾一样时，判断磨损次数小的优先选择。
3.4 ffl创建的dos
tffs的格式化函数需要调用tffsdevformat来格式化，而不需要调用dosfsvolformat来格式化；另外，在tffsdevformat格式化参数中，需要传人的参数含有fat个数参数，其原因是dos是ftl层创建的，而不是在ftl基础上创建的，下面是tffs的整个格式化过程：
tffsdevformat→flcall(fl_format_volume)→formatvolume→format→formatftl；
其中，函数formatftl是执行ftl层格式化的操作函数，操作时，首先根据格式化参数和bsp参数对内部数据结构初始化；然后再对每个unit进行格式化，在擦除后，即可写入unitheader信息和控制bam值；之后写入unit no；最后申请每个page的空间；
上述formatftl函数执行完以后，ftl就已经准备好，可以接受上层的扇区读写函数了(当然还没有内容可以读写)。
在函数formatvolume中，mount可进行卷操作，当内存的数据结构准备好后，ftl层即可调用函数fldosformat来创建dos。其中首先创建隐藏扇区，以用于记录该卷的部分信息，然后分别创建mbr、fat和root目录；这样，dos创建完成后，再执行dosfsdevcreat函数，当然就无须格式化，找到0扇区自然就找到了mbr，因为dos是ftl创建的。
从更深层次讲，ftl层之所以创建dos层，是因为只有ftl层才知道有哪些扇区是可以供dos使用的，哪些扇区是dos不能使用的(作为ftl层管理使用)，也正是因为dos层不了解ftl层的运作情况，所有的扇区映射关系都被ftl层隐蔽，因而导致dos层无法在上层作出有利于flash擦写等优化动作，如大文件写入时的字节数更新，fat表更新等操作，都会严重浪费ftl层的映射关系运算。
4 基于m25p32 spi flash的tffs设计
对于tffs的实现，涉及到config.h、systffs.c、tffsconifg.c、tffsmtd.c、makefile几个文件的配置和修改，其中编译是通过建立一个downloadalbe的tomado工程，来把这几个．c源文件编译进去生成．pl文件提供给bsp工程，而后由bsp工程把．pl文件编译进去，从而生成bootable image。
4.1 config．h的相关配置
要在vxworks映像中加入tffs文件系统，需要加入相关的组件，虽然也可以在该文件中直接加入相应的配置宏，但很容易造成遗漏和有些需要依赖的宏没有定义或者冲突，本文采用的方法是建一个bootable的tornado工程，而后在这个工程中通过加入tffs和dosfs的相关组件来编译这个工程，从而生成一个prjparams．h文件，该文件里就包含了刚刚加入的组件对应的宏，因而，组件与组件之间依赖也是安全的，不会有任何冲突，最后再在config．h中包含这个文件即可。
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usrroot()→tffsdrv()→flinit()→flregistercomponent ()→systffslnit ()
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对systffsformaofsl()函数的格式化参数可根据自己的需要进行修改。
4.3 tffsconfig．c和tffsmtd．c文件的修改
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4.5 makefile文件的修改
对于makefile的修改非常简单，因为几个和tffs相关的源文件都是以．pl的方式被链人bsp工程的，所以只需要在makefile文件中把这个文件加入即可，即在makefile中加了如下的宏定义：
mach_extra+=．．／armpri／armarch5gnu／armbspprj．pl
5 结束语
本文对vxworks下tffs文件系统的层次结构和ftl层的启动过程、块映射算法、垃圾回收算法以及用ftl创建dosfs进行了分析，给出了在m25p32 spi flash上创建tffs文件系统和将tffs挂在dosfs的实现方法。通过对tffs核心层fil的分析给出的tffs实现方法，可以从更基础的层面来认识vxworks中的tffs文件系统，从而给tffs文件系统的问题定位和实现带来新的方法。
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