保密 2年 申請同濟 大學工學 碩士 學位論文 二六 年 十一 月 二六 年 十二 月 嵌入式智能手持設備 文件系統(tǒng)架構 （ 國家 863 計劃“軟件重大專項” 項目 課題編號： 2001 培養(yǎng)單位：電子與信息工程學院 一級學科：計算機科學與技術 二級學科：計算機軟件與理論 研 究 生：郭峰 指導教師：陳榕 教授 保密 2 年 A in 2006 2006 by 63 o. 2001 嵌入式智能手持設備文件系統(tǒng)架構 郭峰 同濟大學 學位論文版權使用授權書 本人完全了解同濟大學關于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，同意如下各項內容：按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版本；學校有權保存學位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數字化或其它手段保存論文；學校有權提供目錄檢索以及提供本學位論文全 文或者部分的閱覽服務；學校有權按有關規(guī)定向國家有關部門或者機構送交論文的復印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學?？梢赃m當復制論文的部分或全部內容用于學術活動。 學位論文作者簽名： 年 月 日 同濟大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導下，進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內容。對本論 文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本學位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任由本人承擔。 學位論文作者簽名： 年 月 日摘要 I 摘要 隨 著嵌入式技術的發(fā)展，硬件設備的價格下降，嵌入式系統(tǒng)存儲 能力 的 迅速提高， 嵌入式 應用中出現(xiàn)越來越復雜的數據資源需要管理，因此嵌入式文件系統(tǒng)的重要性顯得更加突出。和普通的文件系統(tǒng)不同， 基于 嵌入式 智能手持設備 的 文件系統(tǒng) 設計不僅要求滿足數據存儲的各種需要 ，而且 要盡 量降低因文件系統(tǒng)的加入對整個 設備 性能的負面影響。這 些影響 主要體現(xiàn)在實時響應、可移植性、可裁剪性和可配置性等方面。 本論文結合手持設備的運行環(huán)境與 作系統(tǒng)平臺提出了由四 個抽象接口組成的嵌入式文件系統(tǒng)架構 。該架構 支持 向構件編程規(guī)范， 通過 把所有文件系統(tǒng)的操作和管理抽象為 四 個統(tǒng)一接口，有效的隔離了 應用程序編程與文件系統(tǒng)具體實現(xiàn)，在提供給系統(tǒng)更大的可配置性的同時還提供給應用程序更大的可移植性。 同時 基于 件運行平臺規(guī)范， 該架構要求文件系統(tǒng)做為一個服務構件自封裝 文件系統(tǒng)元數據，從而支持 客戶遠程調用和動態(tài)加載、卸載以及替換。 論文還詳細論述了一個實現(xiàn)了上述架構的 嵌入式文件系統(tǒng) 基于 入式操作系統(tǒng)內核，采用 備存儲規(guī)范和 儲結構實現(xiàn)的。 它 通過把存儲設備 抽象成一個統(tǒng)一接口， 使得 以支持多種存儲設備，例如 盤、 以 存儲設備的 件系統(tǒng)分為四 個實現(xiàn)層次，自底向上分別是： 設備驅動程序、高速緩存管理、 文件系統(tǒng) 內 核以及向用戶提供的 基于 編程 接口的文件系統(tǒng)接口 層 。 本論文詳細討論了嵌入式 文件 系 統(tǒng) 架構以及它的一個實現(xiàn) 體系結構 、 主要特性，及其總體設計方案和具體實現(xiàn)技木。 關鍵詞 ： 文件系統(tǒng)，嵌入式， 入式操作系統(tǒng)I be by of of of is is of to at of of of a of of of of by so it be by or by a It is TL AT as a As a D TL 錄 第 1 章 引言 . 1 作系統(tǒng)概述 . 2 件技術 . 2 作系統(tǒng) . 3 入式文件系統(tǒng)概述 . 5 入式文件系統(tǒng) . 5 種常見的嵌入式文件系統(tǒng) . 5 題的來源和選題依據 . 7 要內容和組織結構 . 8 第 2 章 件系統(tǒng)理論基礎 . 10 儲結構理論 . 10 動扇區(qū)和 . 11 結構 . 14 錄結構 . 15 . 17 技術分類 . 18 特點 . 19 結構 . 20 寫特性 . 21 應用 . 21 . 22 管理結構 . 24 映射機制 . 28 作算法 . 31 第 3 章 嵌入式文件系統(tǒng)架構設計 . 33 件系統(tǒng)架構設計特征 . 33 構中重要的數據結構 . 33 件類型 . 33 目錄 文件的讀寫模式 . 33 件系統(tǒng)架構接口設計說明 . 34 件化服務管理 . 36 動態(tài)替換 . 36 許多個文件系統(tǒng)共存 . 37 持遠程文件系統(tǒng)服務調用 . 37 第 4 章 設計要點 . 39 入式文件系統(tǒng)體系結構 . 40 件系統(tǒng)的類說明 . 41 件系統(tǒng)的資源消耗問題 . 41 特殊性 . 42 儲結構兼容性 . 44 統(tǒng)掉電、崩潰引發(fā)的數據完整性問題 . 44 步與異步的問題 . 45 文件名支持 . 45 文件名 . 46 文件名 . 46 /短目錄名的匹配 . 47 件名轉換 . 48 第 5 章 速緩存管理 . 51 速緩存概述 . 51 面替換算法 . 52 優(yōu)頁面替換算法 . 52 近未使用頁面替換算法 . 53 進先出頁面替換算法 . 53 二次機會頁面替換算法 . 53 鐘頁面替換算法 . 54 久未使用頁面替換算法 . 55 塊高速緩存管理策略 . 55 存塊的替換算法 . 56 存塊的組織結構 . 56 目錄 V 存塊的查找 . 57 存塊的同步與更新 . 58 存塊緩存 . 59 速緩存模塊接口說明 . 60 第 6 章 范實現(xiàn)要點 . 65 范實施過程中發(fā)現(xiàn)的問題 . 65 實現(xiàn) . 66 實現(xiàn) . 66 有 維護在內存中 . 67 分 護在內存中 . 67 操作的實現(xiàn) . 68 操作的實現(xiàn) . 69 收操作的實現(xiàn) . 70 請空閑塊操作的實現(xiàn) . 71 損平衡機制 . 71 第 7 章 試數據 . 73 最小編譯尺寸 . 73 行時裝入時間 . 73 于硬盤的測試 . 73 試環(huán)境 . 73 續(xù)創(chuàng)建多個文件的時間性能 . 74 續(xù)刪除多個文件的時間性能 . 74 建長度不同的文件名的時間性能 . 75 除長度不同的文件名的時間性能 . 75 單字節(jié)方式寫入的時間性能 . 76 塊方式寫入的時間性能 . 76 單字節(jié)方式讀取的時間性能 . 78 塊方式讀取的時間性能 . 78 單字節(jié)方式重寫的時間性能 . 79 塊方式重寫的時間性能 . 80 于 讀寫效率 . 81 目錄 測試環(huán)境 . 81 寫性能 . 81 第 8 章 總結與展望 . 83 致謝 . 84 參考文獻 . 85 個人簡歷 在讀期間發(fā)表的學術論文與研究成果 . 86第 1 章 引言 1 第 1章 引言 隨著信息技術（ 飛速發(fā)展、互聯(lián)網的迅速普及、 3C（計算機、通信、消費電子）合一的加速，數字化時代已經來臨。嵌入式接入設備是數字化時代的一大主流產品，世界各國在此領域開始了激烈競爭，以爭取獲得主導地位。嵌入式軟件作為數字化產品的核心，在產業(yè)發(fā)展過程中扮演著越來越重要的角色。目前以 代表的下一代網絡服務編程模型成為桌面程序發(fā) 展的主流。而科泰世紀公司的 件運行平臺，通過在 C/C+編譯產生二進制模塊代碼中融入了元數據，使得其“天生”具有支持網絡移動計算的特性，并且由于是在二進制級進行包裝，效率和 C/C+相媲美，因此非常適合現(xiàn)代嵌入式開發(fā) 。 手持設備，例如移動電話、 嵌入式軟件的主要載體之一，數量特別巨大。無線 必然的發(fā)展方向，人們可以在移動的條件下實現(xiàn)日常辦公和生活娛樂，也可以實現(xiàn)隨時隨地完成個人通信和信息交流，如上網瀏覽、音像點播、網上購物以及各種定制信息。這些新功能的實現(xiàn)，大多依賴于手持嵌入式操作系統(tǒng)。特別是隨著 3G 時代的到來，移動數據帶寬的增加，對手持嵌入式系統(tǒng)更是提出了新的要求，它應該可以通過高速的數據帶寬給予用戶更加豐富的體驗，而作為操作系統(tǒng)必要組件的文件系統(tǒng)首當其沖的要跟上發(fā)展的步伐，打上時代的烙印，只有文件系統(tǒng)能提供更加高速、穩(wěn)定的數據帶寬，才能為手持應用的豐富提供支持和保證，但是事實上目前移動手持設備上的文件系統(tǒng)技術仍然被傳統(tǒng)的通用文件系統(tǒng)架構緊緊束縛著，遠遠不能滿足多樣化的需求。現(xiàn)代智能手持設備需要文件系統(tǒng)具有新的特色： 1. 手持設備的多變性需要一個統(tǒng)一的文件系統(tǒng)接口框架。 在個性化、 多元化的今天，市場對手持設備的需求是多種多樣的，手持設備的發(fā)展也因此而日新月異。如果沒有一個統(tǒng)一的文件系統(tǒng)接口框架，每一個應用的實現(xiàn)要針對不同的手持設備上的文件系統(tǒng)接口 進行 調整，不但會對 人力 資源造成浪費而且還會減緩新系統(tǒng)推出的速度。我們需要一個統(tǒng)一的文件系統(tǒng)接口框架，在此接口框架下可以有不同的文件系統(tǒng)實現(xiàn)，所有文件系統(tǒng)功能都抽象為統(tǒng)一的接口。 2. 豐富的應用體驗需要更加高速的、穩(wěn)定的數據帶寬提供支持。 移動帶寬的增加極大的擴展了手持應用的范圍，原先只能在本機實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在可以通過移動網絡來滿足，而這些應用需要 文件系統(tǒng)能夠提供給操作系第 1 章 引言 2 統(tǒng)更加高速的、穩(wěn)定的數據流量。但是由于手持設備上多數都是采用 為存儲設備而不是以往計算機所采用的機械制動硬盤，因此通用文件系統(tǒng)的某些算法和策略不能夠滿足手持設備的要求，需要專門對 及具體設備應用優(yōu)化的文件系統(tǒng)。 3. 需要應對設備斷電等意外突發(fā)事件引起的數據不一致的情況，并進行必要的數據恢復、事務回滾等操作。 移動手持設備不同于尋常計算機，它經常會面對電池沒電、異常關機等意外情況，這些意外情況如果發(fā)生在文件系統(tǒng)操作的過程中，不可避免的會造成數據不一致的情況，如何應對這些 意外情況又為手持設備的文件系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。 作系統(tǒng)概述 件技術 78 件技術是面向構件編程的編程模型，它規(guī)定了一組構件間相互調用的標準，使得二進制構件能夠自描述，能夠在運行時動態(tài)鏈接。 容微軟的 但是和 比， 除了 過時的約定，禁止用戶定義非自描述接口；完備了構件及其接口的自描述功能，實現(xiàn)了對 擴展；對 用戶界面進行了簡化包裝，易學易用。 從上面 的定義中，我們可以說 微軟 一個子集，同時又對微軟的 行了擴展，在 具的支持下，使得高深難懂的構件編程技術很容易被 C/C+程序員理解并掌握。 編程思想是 術的精髓，它貫穿于整個技術體系的實現(xiàn)中。 術就是在總結面向對象編程、面向構件編程技術的發(fā)展歷史和經驗，為更好地支持面向以 務）為代表的下一代網絡應用軟件開發(fā)而發(fā)明的。 大程度地借鑒了 術，保持了和 兼容性，同時對 行了重要的擴展。 為 了在資源有限的嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)面向中間件編程技術，同時又能得到C/C+的運行效率， 有 采 用 基于中間代碼 是采用了用 C+編程，用 供的工具直接生成運行于 件運行平臺的二進制代碼的機制。用 C+編程實現(xiàn)構件技術，使得更多的程序員能夠第 1 章 引言 3 充分運用自己熟悉的編程語言知識和開發(fā)經驗，很容易掌握面向構件、中間件編程的技術。在不同操作系統(tǒng)上實現(xiàn) 件運行平臺，可以使 件的二進制代碼實現(xiàn)跨操作系統(tǒng)平臺兼容。對于軟件開發(fā)企業(yè)而言，采用 件技術具有以下的意義： 件與微軟的 件二進制兼容，但是 開發(fā)工具自動實現(xiàn)構件的封裝，簡化了構件編程的復雜性，有利于構件化編程技術的推廣普及； 件技術是一個實現(xiàn)軟件工廠化生產的先進技術，可以大大提升企業(yè)的軟件開發(fā)技術水平，提高軟件生產效率和軟件產品質量； 軟件工廠化生產需要有零件的標準， 件技術為建立軟件標準提供了參考，有利于建立企業(yè)內、行業(yè)內的軟件標準，有利于建立企業(yè)內、行業(yè)內的構件庫。 圖 介紹 編程、程序運行的關系。 圖 編程、程序運行的關系 作系統(tǒng) 7 基于構件、中間件技術的面向智能手機應用的新一代嵌入式網絡操作系統(tǒng)，其功能模塊全部是可拆卸的構件， 可 按需動態(tài)裁剪或運行時動態(tài)加載構件。 供了一套完整的開放的系統(tǒng)服務構件及系統(tǒng) 能全面的動態(tài)鏈接構件庫、函數庫。 別于其他嵌入式操作系統(tǒng) 的特點是： 面向構件技術，在操作系統(tǒng)層直接提供了對構件運行環(huán)境的支持； 開放的“軟件總線”及“靈活內核”體系結構； 為資源有限的嵌入式系統(tǒng)有效地支持網絡服務（ 供了高效率的“傻瓜化”運行平臺； 基于 術，可實現(xiàn)軟件“用戶零維護”、“瞬間啟動”，各類應用軟件第 1 章 引言 4 無需安裝，可“點擊運行”、“ 滾動下載”，不同廠家的軟件以目標代碼形式實現(xiàn)“無縫鏈接”，支持應用軟件跨平臺運行； 可以有效地支持移動計算、網絡計算、普適計算等代表信息技術發(fā)展的新興領域，為其提供與其內在的本質和特點相適應 的有效的編程模型和底層軟件平臺解決方案； 體積小，高效率，面向網絡時代的嵌入式信息設備應用； 提供 P 仿真技術，支持二進制代碼兼容； G 手機主要是數據業(yè)務終端。傳統(tǒng)手機的核心技術 “ 無線通訊模塊 ”變成了系統(tǒng)組成的配件，提供軟件服務是手機廠家及移動運營商市場競爭核心手段之一，這正是 機操作系統(tǒng)及 術的優(yōu)勢； 可以動態(tài)加載構件 ， 在網絡時代，軟件構件就相當于零件，零件可以隨時裝配。 術實現(xiàn)了構件動態(tài)加載，使用戶可以隨時從網絡得到最新功能的構件 ； 易于 第三方軟件 豐富系統(tǒng)功能 ， 術的軟件互操作性，保證了系統(tǒng)開發(fā)人員可以利用第三方開發(fā)的，符合 范構件，共享軟件資源，縮短產品開發(fā)周期 （ 。同時用戶也可以通過動態(tài)加載第三方軟件擴展系統(tǒng)的功能 ； 支持 軟件復用 ， 軟件復用是軟件工程長期追求的目標， 術提供了構件的標準，二進制構件可以被不同的應用程序使用，使軟件構件真正能夠成為 “ 工業(yè)零件 ” 。充分利用 “ 久經考驗 ” 的軟件零件，避免重復性開發(fā)，是提高軟件生產效率和軟件產品質量的關鍵 ； 系統(tǒng)升級 ， 傳統(tǒng)軟件的系統(tǒng)升級是一個令軟件系統(tǒng)管理員頭痛的 工程問題，一個大型軟件系統(tǒng)常常是 “ 牽一發(fā)而動全身 ” ，單個功能的升級可能會導致整個系統(tǒng)需要重新調試。 術的軟件升級獨立性，可以圓滿地解決系統(tǒng)升級問題，個別構件的更新不會影響整個系統(tǒng) ； 實現(xiàn)軟件工廠化生產 ， 上述幾個特點，都是軟件零件工廠化生產的必要條件。構件化軟件設計思想規(guī)范了工程化、工廠化的軟件設計方法，提供了明晰可靠的軟件接口標準，使軟件構件可以像工業(yè)零件一樣生產制造，零件可用于各種不同的設備上 ； 提高系統(tǒng)的可靠性、容錯性 ， 由于構件運行環(huán)境可控制，可以避免因個別構件的崩潰而波及到整個系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可 靠性。同時，系統(tǒng)可以自動重新啟動 第 1 章 引言 5 運行中意外停止的構件，實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯 ； 有效地 構筑 系統(tǒng)安全性 ， 系統(tǒng)可根據構件的自描述信息自動生成代理構件，通過代理構件進行安全控制，可以有效地實現(xiàn)對不同來源的構件實行訪問權限控制、監(jiān)聽、備份容錯、通信加密、自動更換通信協(xié)議等等安全保護措施。 入式文件系統(tǒng)概述 入式文件系統(tǒng) 1314 嵌入式操作系統(tǒng)需要一種以結構化格式存儲和檢索信息的方法，這就需要文件系統(tǒng)的參與。嵌入式存儲設備通常主要是 作為永久存儲媒質的 戶可以根據可靠性、健壯 性和增強功能等需求來選擇這些設備的文件系統(tǒng)的類型。 目前在通用計算機上已經有很多成熟的文件系統(tǒng)，但是這些文件系統(tǒng)并不適合直接用到嵌入式系統(tǒng)中進行數據 信息 的存儲：第一，嵌入式系統(tǒng)的應用條件遠比計算機惡劣，電源電壓的不穩(wěn)定以及突發(fā)性斷電 可能會使數據不一致 甚至威脅到物理存儲設備的可用性 ，通用文件系統(tǒng)對于可靠性的設計考慮不足；第二，通用文件系統(tǒng)是針對系統(tǒng)資源非常豐富的計算機平臺并基于速度較慢的磁盤驅動器 設計的 ，它們常常大量使用 數據 緩存技術， 為了提高 文件系統(tǒng) 整體數據處理 的速度 ， 通常 要耗費比較多的系統(tǒng)資源。這與嵌 入式系 統(tǒng)中系統(tǒng)資源十分有限 的應用情況不用；第三，嵌入式系統(tǒng)中 的 存儲 設備往往是 于 備的物理特性，例如在同一個數據塊上進行復寫操作前一定要進行擦除操作，通用文件系統(tǒng)不能對其進行良好的支持。因此，在嵌入式系統(tǒng)中一般需要 針 對不同軟硬件平臺以及應用環(huán)境，開發(fā)專門的嵌入式文件系統(tǒng)，它除了要提供通用文件系統(tǒng)的功能外，還具有其自身的一些特點。 種常見的嵌入式文件系統(tǒng) 二版擴展文件系統(tǒng) 9 實上的標準文件系統(tǒng)，它已經取代了它的前任 擴展文件系統(tǒng)（或 持的文件最大為 2 持的最長文件名為 255 個字符，而且它不支持索引節(jié)點（包括數據修改時間標記）。 行了改進 它的優(yōu)點是： 第 1 章 引言 6 (1)持達 4內存。 (2)件名稱最長可以到 1012 個字符。 (3)當創(chuàng)建文件系統(tǒng)時，管理員可以選擇邏輯塊的大?。ㄍǔ４笮】蛇x擇1024、 2048 和 4096 字節(jié)）。 (4)現(xiàn)了快速符號鏈接：不需要為此目的而分配數據塊，并且將目 標名稱直接存儲在索引節(jié)點（ 中。這使性能有所提高，特別是在速度上。 因為 件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和健壯性，所以幾乎在所有基于 系統(tǒng)（包括臺式機、服務器和工作站甚至一些嵌入式設備）上都使用 件系統(tǒng)。然而，當在嵌入式設備中使用 ，它有一些缺點： (1) 為象 備那樣的塊設備設計的，這些設備的邏輯塊大小是512 字節(jié)， 1 K 字節(jié)等這樣的倍數。這不太適合于扇區(qū)大小因設備不同而不同的閃存設備。 (2) 有提供對基于扇區(qū)的 擦除寫操作的良好管理。在 ，為了在一個扇區(qū)中擦除單個字節(jié)，必須將整個扇區(qū)復制到 后擦除，然后重寫入。 考慮到 備具有有限的擦除壽命，在此之后就不能使用它們，所以這不是一個特別好的方法。 (3) 在出現(xiàn)電源故障時， 是防崩潰的。 (4) 支持磨損均衡，因此縮短了扇區(qū)閃存的壽命。 (5) 有特別完美的扇區(qū)管理，這使設計塊驅動程序十分困難。 志閃存文件系統(tǒng)版本 2 瑞典的 發(fā)了最初的 它進行了改進。 第二個版本， 為用于微型嵌入式設備的原始閃存芯片的實際文件系統(tǒng)而出現(xiàn)。 件系統(tǒng)是日志結構化的，這意味著它基本上是一長列節(jié)點。每個節(jié)點包含有關文件的部分信息 ， 可能是文件的名稱、也許是一些數據。相對于 為有以下這些優(yōu)點而在無盤嵌入式設備中越來越受歡迎： (1) 扇區(qū)上直接執(zhí)行閃存擦除寫讀操作，比 件系統(tǒng)效率更高。 (2) 供了比 好的崩潰掉電安全保護。當需要更改少量數據時， 件系統(tǒng)將整個扇區(qū)復制到內存（ ，在內存中合并新數第 1 章 引言 7 據，并寫回整個扇區(qū)。這意味著為了更改單個字，必須對整個扇區(qū)（ 64 行讀擦除寫例程 ， 這樣做的效率非常低。要是運氣差，當正在 合并數據時，發(fā)生了電源故障或其它事故，那么將丟失整個數據集合，因為在將數據讀入 就擦除了閃存扇區(qū)。 加文件而不是重寫整個扇區(qū)，并且具有崩潰掉電安全保護這一功能。 (3) 這可能是最重要的一點： 專門為象閃存芯片那樣的嵌入式設備創(chuàng)建的，所以它的整個設計提供了更好的閃存管理。 合閃存的特殊屬性，對標準的日志文件系統(tǒng)結構進行了簡化，它保證當系統(tǒng)非正常關閉時操作的可靠性，是閃存設備上保存經常修改數據的文件系統(tǒng)的理想選擇。 件系統(tǒng) 似于 專門為 存設計的嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲設備。它是日志結構的文件系統(tǒng)，提供了損耗平衡和掉電保護，可以有效地避免意外掉電對文件系統(tǒng)一致性和完整性的 影響。 件系統(tǒng)是按層次結構設計的，分為文件系統(tǒng)管理層接口、 部實現(xiàn)層和口層，這樣就簡化了其與系統(tǒng)的接口設計，可以方便地集成到系統(tǒng)中去。與 比，它減少了一些功能，因此速度更快，占用內存更少。 分考慮了 存的特點，根據 存以頁面為單位存取的特點，將文件組織成固定大小的數據段。利用 存提供的每個頁面 16 字節(jié)的備用空間來存放 文件系統(tǒng)的組織信息，不僅能夠實現(xiàn)錯誤檢測和壞塊處理，也能夠提高文 件系統(tǒng)的加載速度。 用一種多策略混合的垃圾回收算法，結合了貪心策略的高效性和隨機選擇的平均性，達到了兼顧損耗平均和系統(tǒng)開銷的目的。 題的來源和選題依據 本課題來源于國家 863 項目“基于中間件技術的因特網嵌入式操作系統(tǒng)及跨操作系統(tǒng)中間件運行平臺”，該項目的目標是建立一套基于中間件組件技術的嵌入式操作系統(tǒng)及組件運行平臺。 文件系統(tǒng)在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)應用中不是必須的部分，事實上很多應用都不涉及到文件系統(tǒng)，主要是因為目前嵌入式系統(tǒng)涉及到的大多是要求效率的小型應用 （ 如信息家電、終端設備等 ） ，對數據的 存儲和處理沒有過高的要求，在這種第 1 章 引言 8 情況下加入文件系統(tǒng)提供的功能顯得沒有必要，反而會使整個系統(tǒng)的執(zhí)行效率降低。但是作為完整的、面向 嵌入式 系統(tǒng)，不但應有成熟的應用，還應該提供給用戶不同層次的解決方案，可按用戶需要定制的系統(tǒng)模塊以及可進行二次開發(fā)的開發(fā)環(huán)境，這些對文件系統(tǒng)都有較高的要求。同時，隨著硬件設備的可獲得性和價格的不斷降低 ，嵌入式系統(tǒng)也能擁有豐富的資源，勢必對完整的、高性能的嵌入式 操作系統(tǒng)提出新的要求 像普通的桌面操作系統(tǒng)一樣，具備強大的文件處理能力。 嵌入式設備一般具有體積小、可移動的 特點。這些特性決定了其存儲設備的特殊性：容量合適，體積小，抗機械震動等。傳統(tǒng)的磁盤設備顯然是不合適的，而 儲設備集成在很小的芯片上，具有體積小、功耗低、存取速度塊、抗震動等優(yōu)點，且能夠提供 1M 至 1G 或者更大的存儲容量。所以 儲設備是嵌入式系統(tǒng)的存儲設備的一個十分理想的選擇。它們的缺點是通常只能整塊的寫入和擦除，必須為寫入和擦除付出很昂貴的代價。嵌入式設備的另一個重要的特點就是電源供給的不穩(wěn)定性。不可預知的斷電隨時可能發(fā)生。對于傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)，忽然的斷電會造成整個文件系統(tǒng)的破壞。這就要求 新開發(fā)的嵌入式文件系統(tǒng)要具有良好的抗斷電性能。 此外，由于嵌入式應用環(huán)境的特殊性，文件系統(tǒng)需要作為可配置的組件由用戶選擇加載的系統(tǒng)中這就要求文件系統(tǒng)必須設計的相對獨立與系統(tǒng)其它模塊之間的偶合要盡量的松。 目前，嵌入式文件系統(tǒng)研究還屬于剛剛開始階段，很多文件系統(tǒng)都是從微機文件系統(tǒng)移植過來的，不可避免的帶來一些不適合嵌入式系統(tǒng)的弊病。因此，各公司和科研機構都研發(fā)自己的文件系統(tǒng)，如三星公司就專門針對其生產的 以說，現(xiàn)在還沒有得到廣泛認可并使用的嵌入式文件系統(tǒng)。因此，開發(fā)嵌入式文件系統(tǒng)充滿 了機遇與挑戰(zhàn)。 要內容和組織結構 本論文結合手持設備的運行環(huán)境與 作系統(tǒng)平臺提出了由四 個抽象接口組成的嵌入式文件系統(tǒng)架構。該架構 支持 向構件編程規(guī)范， 通過 把所有文件系統(tǒng)的操作和管理抽象為 4 個統(tǒng)一接口，有效的隔離了 應用程序編程與文件系統(tǒng)具體實現(xiàn)，在提供給系統(tǒng)更大的可配置性的同時還提供給應用程序更大的可移植性。 同時 基于 件運行平臺規(guī)范， 該架構要求文件系統(tǒng)做為一個服務構件自封裝 文件系統(tǒng)元數據，從而支持客戶遠程調用和動態(tài)加載、卸載以及替換。 論文還詳細介紹了一個實現(xiàn)了上述 架構的 嵌入式文件系統(tǒng) 基第 1 章 引言 9 于 入式操作系統(tǒng)內核，采用 備存儲規(guī)范和 儲結構實現(xiàn)的。 它 通過把存儲設備抽象成一個統(tǒng)一接口，使得 以支持多種存儲設備，例如 盤、 以 存儲設備的 件系統(tǒng)分為四個實現(xiàn)層次，自底向上分別是： 設備驅動程序、高速緩存管理、文件系統(tǒng)內核以及向用戶提供的基于編程接口的文件系統(tǒng)接口層。 本文的正文部分首先 (第一 章 )介紹了嵌入式操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)的基本概念以及 目標平臺 環(huán)境 入式操作系統(tǒng) ； 第二 章在介紹了 件系統(tǒng)的一些理論基礎，包括 儲結構、 范以及 儲設備的讀寫特性 ；第三章論述了 作系統(tǒng)下的文件系統(tǒng)通用架構設計；第四 章介紹了 五章闡述了 高速緩存模塊 的設計策略和實現(xiàn)細節(jié)。第六 章 重點講述了在基于 儲介質