用于数控车床的嵌入式Linux文件系统的设计与实现.pdf

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1、第 27 卷第 1 期2012 年 2 月北 京 信 息 科 技 大 学 学 报Journal of Beijing Information Science and Technology UniversityVol 27 No 1Feb 2012文 章 编 号:1674 6864(2012)01 0074 04用于数控车床的嵌入式 Linux 文件系统的设计与实现李建静(北京信息科技大学计算机学院，北京 100101)摘要:针对数控车床对系统功能、空间利用率、时间效率的需求，提出并实现了一种用于数控车床的嵌入式 Linux 文件系统。该系统以 Cramfs 为根文件系统，Yaffs 作为用户的

2、数据存储分区，用 Tmpfs 存储临时数据，采用 Initramfs 引导根文件系统。实验结果表明，系统的空间利用率高，启动时间快。关键词:嵌入式系统;linux;文件系统;数控车床中图分类号:TP 316.2文献标志码:ADesign and realization of embedded file system fornumerically controlled latheLI Jian-jing(School of Computer Science，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，C

3、hina)Abstract:Aiming at meeting requirements of numerically controlled lathe such as system function，space utilization and time efficiency，a file system of embedded Linux used for numerically controlledlathe is presented using Cramfs as root file system，Yaffs as user s data partition，Tmpfs as system

4、 stemporary data，and Initramfs as leading root file system The experiment shows that the size is smallerand boot is fasterKey words:embedded system;linux;file system;numerically controlled lathe收稿日期:2011-11-11基金项目:国家自然科学基金项目(60572088);北京市属市管高等学校人才强教计划资助项目(PHR201007131)作者简介:李建静(1984)，女，山东德州人，硕士研究生，主要

5、从事嵌入式操作系统研究。0引言数控技术作为中国的高新技术之一，其水平高低直接制约着加工产业的加工效率。嵌入式数控车床控制系统的应用已成为大趋势，尤其基于嵌入式linux 的控制系统已广泛应用于工业控制领域。随着设备智能化需求的提高1，对数控车床控制系统的要求更高，如要求操作简单、断电续传、友好的操作界面等。这些增加了系统的复杂度，要求控制系统具有更好的性能。要提高控制系统的性能，一个组织良好、性能优良的文件系统起着非常重要的作用。因此实现控制系统的关键之一是设计与实现合适的文件系统，其中介质的选择、文件系统的搭建、内核与配置的文件的修改等因素都对其产生影响2 256。本文从系统的功能、系统空间

6、、时间效率的角度出发，在嵌入式linux 数 控 车 床 控 制 系 统 上 设 计 实 现 Cramfs、Initramfs、Tempfs、Yaffs 混合的文件系统方案，简称为 CITY(Cramfs、Initramfs、Tempfs、Yaffs)文件系统。1系统设计方案自顶向下的设计方法是将复杂问题逐步细化的方法，非常适合于系统的设计阶段2 256，本文设计的文件系统就是在分析控制系统的基础上，将系统逐步细化，对每个模块进行设计。1.1控制系统存储器的选择一个典型的控制系统包括 CPU、存储器和外设。其中存储器的种类将直接影响到控制系统的文件系统的性能和类型。由于数控车床控制器特殊的工作

7、环境，要求数控车床控制器必须具有抗震动、抗潮湿、抗震压的特点，而传统的硬盘与移动硬盘等存储器显然不满足这些要求。控制系统容易造成意外断电，这就要求系统存储器必须具有掉电保护功能。另外，为增加第 1 期李建静:用于数控车床的嵌入式 Linux 文件系统的设计与实现系统的灵活性需将程序系统直接固化在存储器中，常选用非易失性的 Flash 芯片作为主要的存储器，用于存放程序及主要数据。Flash 芯片一般分为Nor Flash 和 Nand Flash。Nor Flashshi 出现时间最早，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，但是其擦除和编程速度较慢且尺寸较大;NAND Flash 是以页为单位进

8、行读写，1 页为 256 或 512 字节，具有快擦除和快编程的优势，但是随机读取速度慢。选择Nor Flash 存储应用软件代码和操作系统内核，选择Nand flash 存放数据。操作系统和操作系统内的应用程序必须被加载到内存中运行，因此内存是任何系统必不可少的存储器。图 1 所示为嵌入式数控车床控制系统存储器结构图。图 1嵌入式数控车床控制系统结构图 1 中，ARM920T 为控制系统的 CPU;SDRAM为外部扩展的 32M 内存，主要用于运行系统与程序;28F640J3A 为 NOR Flash，大小为为 8M，主要用于存放根文件系统、内核等;K9F1208 NAND 为NAND Fl

9、ash，大小为 64M，主要用于存放数据文件。1.2文件系统结构设计嵌入式 linux 数控车床控制系统中文件系统的结构遵循 FHS3 所定义的目录结构，它是基于树状结构的，本控制系统的目录结构见文献 4。按照各个目录内文件的读写权限和存在时间长短可以将其分为 3 大类型文件:临时文件、只读文件、读写并且掉电非易失型文件。1)临时文件内是系统运行过程中产生的临时数据，这些数据只是为程序的运行而临时产生，不需要掉电保护，包括/tmp。2)只读文件是一些具有只读特性的文件，不允许用户对其进行修改。如(/)根文件系统，/bin、/sbin 可执行程序，/lib 库文件。3)读写并且掉电非易失型文件，

10、是由于系统的运行和用户的操作不可以不断改变的文件，且这些文件 要 具 有 掉 电 保 护 功 能。如/var/etc、/usr 等目录。目前比较成熟的单一性文件系统虽然实现简单，并且可在某一特性上进行优化，却都只能被某一类型的文件充分利用，从而造成存储介质空间的浪费，并使系统的性能降低。由于 Linux 内核包含用于访问内存设备的 MTD(内存技术设备)，MTD 支持在一块 Flash 上建立多个分区，不同分区使用不同的文件系统，同时也支持不同的 Flash 使用不同的文件系统。本控制系统的文件系统在 MTD 技术的支持下结合多种文件系统的优点采用混合文件系统方案。1.3混合文件系统组合方式选

11、择由于嵌入式控制系统工作环境恶劣，采用 Flash存放代码和数据，CPU 运算速度远低于通用计算机系统。这些有限的资源现状限制了通用文件系统(如 FAT、NTFS、EXT 等)的使用。根据图 1 可知，此控制系统采用的存储器为易失性存储器内存 SDRAM 和非易失性存储介质 NORFlash、NAND Flash，它们之上的文件系统的操作方式有很大的不同。如 NOR Flash 的读写单位是字节，而 NAND Flash 的读写单位是页，每页为 256 字节。常用 的 嵌 入 式 文 件 系 统 有 Initramfs、InitrdRAMDISK，Cramfs，Jffs2，Yaffs25 等。

12、1)RAM 上的文件系统包括 ramdisk 和 Tmpfs。ramdisk 就是在内存上划分出一块分区虚拟出一块磁盘分区，其体积无法改变，造成了内存空间的浪费。另外 linux 内核也支持 Initramfs 作为根文件系统6，Initramfs 就是 Tmpfs 文件系统的一个应用。其体积可以随内容多少改变其体积大小，提高了内存的空间利用率，同时采用 cpio 格式的压缩包，内核本身即可解压，可作为内核启动的根文件系统，可以加快系统启动的时间，同时其 switch root 命令可以快速地转化到真正的根文件系统下。本文的文件系统采用 Initramfs 作为启动时的根文件系统。2)NOR

13、Flash 上的文件系统主要是 Cramfs 和Jffs27 250，Cramfs 具有只读和可压缩特性，压缩比例可以达到 1 2，同时它可以实现自解压，因此可以做到高效的随机读取，所以可将一些不需要更新的文件、用户程序和不希望用户破坏的重要数据放在Cramfs 上，可以很好地保护系统文件的完整性，满足系统的安全性需求。Jffs2 文件系统是日志型文件系统，但是随着容量的增加其内存消耗增加，不能保证损耗平衡，不适合大量数据的存储。3)NANDFlash 上 的 文 件 系 统 主 要 是Yaffs7 254，Yaffs 是可读写的，适合于大容量的存储57北京信息科技大学学报第 27 卷设备，同

14、时具有断电保护功能，可用于存储系统较容易变更的部分。对于系统内经常产生大量临时性写操作的目录，可以放在 Tmpfs7 255上，存储临时文件，可有效地避免频繁的 Flash 擦除操作，从而增加 Flash 寿命。本设计选择 Cramfs 作为根文件系统，采用 Initramfs引导 Cramfs 文件系统，Yaffs 作为用户的数据存储分区，Tmpfs 为临时文件系统，即 CITY 文件系统。其结构如图 2 所示。对应的组成表如表 1 所示。图 2CITY 文件系统结构表 1混合文件系统构成分区文件类型存放数据文件Flash0(NOR Flash)U Boot、KernelFlash1(NOR

15、 Flash)KernelFlash2(NOR Flash)CRAMFS/Flash3(NAND Flash)YAFFS/var、/etc、/home 等RAMTMPFS/tmp 等2CITY 文件系统实现步骤CITY 文件系统的创建步骤如下:首先编译内核使其支持各种所需文件系统，然后修改 Flash 分区，再修改脚本使其挂载其他文件系统，将文件系统挂载到对应的目录下，最后利用工具烧写进 Flash。2.1编译内核1)配置 MTDMemory Technology Device(MTD)MTD support:MTD 支持。MTD partitioning support:分区支持。Direc

16、t char device access to MTD devices:字符设备的支持。Caching block device access to MTD devices:块设备支持。RAM/ROM/Flash chip devicesDetect flash chips by Common Flash Interface(CFI)probe CFI 接口检测。Support 32-bit buswidth:32 位总线。Support for Intel/Sharp flash chips:Intel 芯 片支持。Support for ROM chips in bus mappingMa

17、pping drives for chip accessCFI Flash device mapped on S3C2410:Flash 分区映射与具体的目标板 S3C2410 相关。NAND Flash Derive DrivesNAND Device Support:NAND 驱动支持NAND Flash support for S3C2410 Soc:支 持S3C2410 开发板2)配置文件系统。Compressed ROM file system support(Cramfs)Virtual memory file system support(Tmpfs)Yaffs2 file sy

18、stem support(Yaffs2)2.2系统 MTD 的 Flash 分区利用 CFI Flash device mapped on S3C2410 选项定义的配置宏可以在 drivers/mtd/maps/目录下找到相应的 maps 文件 s3c2410.c，并对其按照图 3 进行修改。图 3MTD 分区表2.3系统启动脚本设置/etc/fstab 文件中添加如下的几行。增加自动mount 选项。/dev/mtdblock4/cramfs defaults00/dev/mtdblock5/home yaffs defaults00tmpfs/mnt/tmpfstmpfssize=5M

19、00把系统根文件系统做成 cramfs 格式，把/home目录作为 YAFFS 分区，对于 Tmp 在/mnt/tmpfs 目录下创建 var 和 tmp 的目录树结构，然后创建到根目录下的软链接。2.4创建文件系统镜像文件利用文件系统工具生成文件系统镜像文件，再通过 Flash 烧写工具将镜文件烧写到 Flash 物理空间。67第 1 期李建静:用于数控车床的嵌入式 Linux 文件系统的设计与实现1)生成 Cramfs 镜像文件工具:mkcramfs方法:/mkcramfsmydir/my_Cramfs img。2)生成 Yaffs2 镜像文件工具:mkyaffsimage方法:/mkya

20、ffsimage home/yaffs yaffs img/mkyaffs/dev/mtdblock/3 yaffs img3)Tmpfs 文件系统方法:mkdir/mnt/tmpfs/varln s/mnt/tmpfs/var/varmkdir/mnt/tmpfs/tmpln s/mnt/tmpfs/tmp/tmp3CITY 文件系统测试3.1启动时间测试测试使用的 linux 内核为根据嵌入式 linux 数控车床控制系统要求裁剪后的内核(大小为1.56 MB)和统一应用程序(大小为 3 MB)，分别采用 Cramfs、Initrd、Initramfs 三种文件系统做为控制系统启动的根文件

21、系统，记录 linux 系统启动的整个时间，实验结果如表 2 所示。表 2各种文件系统作为根文件系统的结果对比类型CramfsInitrdInitramfs用时/s1.71010.5271.520可见采用 Initramfs 机制启动速度最快，因为它直接编译进内核，不需要进行挂载操作。Cramfs 虽然需要挂载但是可以只解压其中一部分，可以直接进行索引，所以启动速度也比较快，但是需要内核支持增加其驱动程序;Initramfs 不需要加载驱动程序到内核，使内核与外层用户程序隔离开来，提高了系统的安全性，同时也可以保证系统的启动速度。3.2系统性能测试在裁减后的 Linux 系统启动后通过 IOz

22、one 文件系统测试软件对 CITY 文件系统和各种单一的文件系统的一些特性进行测试。利用 Unixbench 软件对控制系统的一些特性进行测试，包括数据的拷贝、读写、浮点运算等。同时还测试了文件系统的断电保护功能。主要的数据测试结果如表 3 所示。表 3嵌入式数控车床控制系统的性能比较测试项目CramfsYaffs2Initrd混合文件系统单位时间字符串操作数目/(个 s1)48 17348 14248 00548 132单位时间进入和离开系统内核时间/(次数 s1)8 0458 0348 0238 033单位时间写字符数/(个 s1)16141594单位时间读取字符个数/(个 s1)169

23、166170171单位时间复制字符个数/(个 s1)844824掉电保护否是是是4结束语本文采用的 CITY 文件系统，集合了各文件系统优点，充分利用了系统的临时与永久的资源。Initramfs 机制的引用加快了系统的启动速度，同时简化了 linux 内核。这种设计方案为其他文件系统的创建提供了思路，同时为以后的研究与开发工作做好了充分的准备。参考文献:1刘百喜 中国车床制造业现状及数控车床的发展 J 世界制造技术与装备市场，2006，(3):32 33 2刘庆敏，田岚 智能化 GPRS DTU 的嵌入式混合文件系统 J 计算机工程，2009，35(12):256258 3韦安 一种嵌入式 l

24、inux 下混合文件系统的实现技术 J 计算机工程，2007，33(14):57 61 4SanthanamAnandK，VishalKulkarniLinuxsystemdevelopment on an embedded device EB/OL (2002 3 01)2011 11 05http:www ibm com/developerworks/library/l-embdev/index html 5郑桦，刘清 构造嵌入式 linux 文件系统 J 微计算机信息，2004，20(8):49 50 6于晓峰，朱红 解析 Initramfs 机制在嵌入式Linux 系统中的应用J 软件导刊，2008，7(7):147 148 7Yaghmour K，O Reilly Taiwan 构建嵌入式 linux系统M 北京:中国电力出版社，2011:23825777