文件系统(十)：一文看懂 UBI 文件系统

liwen01 2024.07.21

前言

UBI (Unsorted Block Images)文件系统是一种用于裸 flash 的文件系统管理层。它是专为管理原始闪存设备而设计，特别适用于嵌入式系统。与 YAFFS2 和 JFFS2 不同的是,它可以提供整个 flash 空间的磨损平衡，并且有良好的扩展性，适用于大容量的 nand flash 。

(一)MTD、UBI 与 UBIFS

前面介绍的 JFFS2 和 YAFFS2 都是运行在 MTD 之上，而 UBIFS 只能运行在 UBI 之上，UBI 又只能运行于 MTD 之上，所以这里就涉及到 3 个子系统：MTD、UBI、UBIFS。

MTD 提供了对底层闪存硬件的抽象和基本管理。
UBI 在 MTD 之上增加了一层管理，处理闪存的复杂性并提供逻辑卷管理。
UBIFS 是在 UBI 卷上运行的文件系统，充分利用 UBI 的特性，提供高效可靠的文件存储。

这里需要特别注意，这里所说的闪存，是指裸 flash，而不是经过FTL转换后的 U 盘、SD、TF、SSD 等设备。

在 Linux 中，经过 FTL 转换后的 U 盘、SD、TF、SSD 等设备，它们属于块设备，是模拟传统磁盘设计的一种数据结构，以扇区 sector 为读写单位。

而 MTD，它既不是字符设备，也不是块设备，它只是 MTD 设备

(1) MTD (Memory Technology Device)

MTD 是 Linux 内核中的一个子系统，用于支持不同类型的闪存设备，如 NOR Flash 和 NAND Flash。MTD 提供了一个抽象层，使得文件系统和用户空间程序可以方便地访问底层的闪存硬件。

MTD 设备：在 Linux 系统中，MTD 设备通常以 /dev/mtdX 和 /dev/mtdblockX 的形式出现，其中 X 是设备编号。
MTD 子设备：一个 MTD 设备可以被划分为多个子设备，每个子设备可以独立使用。

(2)UBI (Unsorted Block Images)

UBI 是一个在 MTD 设备之上的管理层，专门为 NAND Flash 设计。UBI 处理了 NAND Flash 固有的一些复杂性，如坏块管理和磨损均衡(wear leveling)。UBI将闪存划分为逻辑擦除块，并对它们进行管理。

坏块管理：UBI 能够检测和管理坏块，确保数据写入时不会使用坏块。
磨损均衡：UBI 通过均匀分布擦写操作，延长闪存的使用寿命。
逻辑卷：UBI 支持在 MTD 设备上创建多个逻辑卷，每个卷可以独立使用。

(3)UBIFS (UBI File System)

UBIFS 是专门为 UBI 设计的文件系统，直接在 UBI 卷上运行。UBIFS 充分利用 UBI 的功能，提供了高效和可靠的文件存储解决方案。

动态特性：UBIFS 支持动态调整文件系统大小，根据需要分配和回收空间。
日志结构：UBIFS 使用日志结构文件系统，减少数据损坏的风险并提高写入性能。
压缩：UBIFS 支持多种压缩算法，节省存储空间。

UBIFS 并不是唯一可以在UBI上运行的文件系统，理论上绝大部分文件系统都可以在 UBI 上运行。除了 UBIFS，其它文件系统在 UBI 上使用效率都不高。

(二)镜像文件制作

(1)UBIFS 镜像文件制作

(a)准备测试文件

新建4个测试目录，在目录中创建测试问价，文件使用 /dev/urandom 写入随机数

biao@ubuntu:~/test/ubifs/ubifs_urandom$ tree
.
├── test1
│   ├── file1
│   ├── file1_1
│   └── file1_2
├── test2
│   ├── file2
│   ├── file2_1
│   └── file2_2
├── test3
│   ├── file3
│   ├── file3_1
│   └── file3_2
└── test4
    ├── file4
    ├── file4_1
    └── file4_2

4 directories, 12 files
biao@ubuntu:~/test/ubifs/ubifs_urandom$

文件大小信息如下：

biao@ubuntu:~/test/ubifs$ du ubifs_urandom   
1904    ubifs_urandom/test3
168     ubifs_urandom/test2
1504    ubifs_urandom/test1
1476    ubifs_urandom/test4
5056    ubifs_urandom
biao@ubuntu:~/test/ubifs$

(b)制作 UBIFS 镜像文件

mkfs.ubifs -r ubifs_urandom -m 2048 -e 129024 -c 10000 -o ubifs_urandom.ubifs

各参数的作用：

-r, -d, --root=DIR       build file system from directory DIR
-m, --min-io-size=SIZE   minimum I/O unit size
-e, --leb-size=SIZE      logical erase block size
-c, --max-leb-cnt=COUNT  maximum logical erase block count
-o, --output=FILE        output to FILE

上面命令的作用是：将 ubifs_urandom 目录里面的文件打包成一个页大小为 2048(2KB)、逻辑擦除块大小为 129024(126KB)、最大逻辑块为 10000 的 UBIFS 镜像文件 (ubifs_urandom.ubifs)。

这里有几点需要注意：

-m 是页大小，不是子页大小
-e 设置的逻辑擦除块大小要与UBI里的相同，不然挂载的时候会报错误

(2)UBI 镜像文件制作

在 UBIFS 的基础上，制作一个UBI镜像文件

(a)制作 UBI 镜像配置文件

创建配置文件 ubinize.cfg

[ubifs]
mode=ubi
image=ubifs_urandom.ubifs
vol_id=0
vol_size=256MiB
vol_type=dynamic
vol_name=ubifs_urandom
vol_flags=autoresize

image 为我们上面制作的UBIFS文件系统镜像文件
vol_id 指定卷 ID，这个是在有多个卷的时候使用
vol_size 定义卷的大小
vol_type 设置为动态卷，卷的大小可以变化
vol_name 卷的名字
vol_flags 自动调整大小

(b)制作 UBI 镜像文件

ubinize -o ubi.img -m 2048 -O 512 -p 128KiB ubinize.cfg

UBI 镜像文件和 UBIFS 的镜像文件，都需要根据实际 Flash 的参数进行设置

上面命令的作用是：将一个 ubifs 镜像文件制作成一个页大小为 2048(2KB)、子页大小为 (256Byte)，物理擦除块大小为 128KB 的 UBI 镜像文件。

(三) 挂载 UBIFS 文件系统

为了方便调试，我们这里直接使用PC机上的虚拟 MTD 设备来仿真Flash。Linux 内核中有 3 种 MTD 设备模拟器可用：

mtdram：在 RAM 中模拟 NOR 闪存；
nandsim：在 RAM 中模拟 NAND 闪存；
block2mtd：在块设备上模拟 NOR 闪存。

(1)加载 nandsim 模块

这里仿一个 1GiB, 2048 bytes page的 nand flash。

sudo modprobe nandsim first_id_byte=0xec second_id_byte=0xd3 third_id_byte=0x51 fourth_id_byte=0x95

可以通过 /proc/mtd 和 /dev/mtd0 查看模拟的 nandflsh 信息

biao@ubuntu:~/test/ubifs$ cat /proc/mtd 
dev:    size   erasesize  name
mtd0: 40000000 00020000 "NAND simulator partition 0"
biao@ubuntu:~/test/ubifs$ mtdinfo /dev/mtd0 
mtd0
Name:                           NAND simulator partition 0
Type:                           nand
Eraseblock size:                131072 bytes, 128.0 KiB
Amount of eraseblocks:          8192 (1073741824 bytes, 1024.0 MiB)
Minimum input/output unit size: 2048 bytes
Sub-page size:                  512 bytes
OOB size:                       64 bytes
Character device major/minor:   90:0
Bad blocks are allowed:         true
Device is writable:             true
biao@ubuntu:~/test/ubifs$

上面加载 nandsim 的时候，有定义4个ID值，具体值需要根据芯片手册的数据来设置。

第一字节为制造商代码、第二字节为设备代码、第三、四字节为Flash特定参数

下面是几个示例：

modprobe nandsim first_id_byte=0x20 second_id_byte=0x33 - 16MiB, 512 bytes page;
modprobe nandsim first_id_byte=0x20 second_id_byte=0x35 - 32MiB, 512 bytes page;
modprobe nandsim first_id_byte=0x20 second_id_byte=0x36 - 64MiB, 512 bytes page;
modprobe nandsim first_id_byte=0x20 second_id_byte=0x78 - 128MiB, 512 bytes page;
modprobe nandsim first_id_byte=0x20 second_id_byte=0x71 - 256MiB, 512 bytes page;
modprobe nandsim first_id_byte=0x20 second_id_byte=0xa2 third_id_byte=0x00 fourth_id_byte=0x15 - 64MiB, 2048 bytes page;
modprobe nandsim first_id_byte=0xec second_id_byte=0xa1 third_id_byte=0x00 fourth_id_byte=0x15 - 128MiB, 2048 bytes page;
modprobe nandsim first_id_byte=0x20 second_id_byte=0xaa third_id_byte=0x00 fourth_id_byte=0x15 - 256MiB, 2048 bytes page;
modprobe nandsim first_id_byte=0x20 second_id_byte=0xac third_id_byte=0x00 fourth_id_byte=0x15 - 512MiB, 2048 bytes page;
modprobe nandsim first_id_byte=0xec second_id_byte=0xd3 third_id_byte=0x51 fourth_id_byte=0x95 - 1GiB, 2048 bytes page;

(2)挂载 UBIFS 文件系统

(a) 加载 UBI 内核模块

sudo modprobe ubi mtd=0

这里将 ubi 加载到了 mtd 的设备 0 上

(b) 分离 MTD 上的设备 0

sudo ubidetach /dev/ubi_ctrl -m 0

(c)格式化 MTD 设备并写入 UBI 镜像文件

sudo sudo ubiformat /dev/mtd0 -s 512 -f ubi.img

(d)UBI设备附加回 MTD 设备 0 上

sudo ubiattach /dev/ubi_ctrl -m 0 -O 512

(e)挂载 UBIFS 到指定目录

sudo mount -t ubifs ubi0 /home/biao/test/ubifs/ubifs_simulator

(f)查看挂载状态

biao@ubuntu:~/test/ubifs$ df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
......
ubi0            927M  4.8M  923M   1% /home/biao/test/ubifs/ubifs_simulator
......
biao@ubuntu:~/test/ubifs$ 
biao@ubuntu:~/test/ubifs/ubifs_simulator$ ls
test1  test2  test3  test4

可以看到制作的 UBIFS 镜像文件已经被挂载到了 ubi0 卷上，挂载目录上的文件也就是我们的测试文件。

(四) UBIFS 镜像文件分析

上面我们制作了两个镜像文件 UBIFS 和 UBI，然后再将 UBI 镜像文件加载到 PC机上的 NAND Flash 模拟器 nandsim 上。要了解 UBIFS 的工作原理，我们有必要对它在 Flash 上的数据结构进行分析。

(1)UBIFS 数据结构

ubifs-media.h 中可以看到 UBIFS 所有数据结构定义，下面这个是通用数据结构，有幻数、crc校验、序列号、长度、节点类型、节点组类型这些信息，其中有效节点有11种。

通用头部结构体定义如下

/**
 * struct ubifs_ch - common header node.
 * @magic: UBIFS node magic number (%UBIFS_NODE_MAGIC)
 * @crc: CRC-32 checksum of the node header
 * @sqnum: sequence number
 * @len: full node length
 * @node_type: node type
 * @group_type: node group type
 * @padding: reserved for future, zeroes
 *
 * Every UBIFS node starts with this common part. If the node has a key, the
 * key always goes next.
 */
struct ubifs_ch {
	__le32 magic;
	__le32 crc;
	__le64 sqnum;
	__le32 len;
	__u8 node_type;
	__u8 group_type;
	__u8 padding[2];
} __packed;

节点类型定义：

enum {
	UBIFS_INO_NODE,
	UBIFS_DATA_NODE,
	UBIFS_DENT_NODE,
	UBIFS_XENT_NODE,
	UBIFS_TRUN_NODE,
	UBIFS_PAD_NODE,
	UBIFS_SB_NODE,
	UBIFS_MST_NODE,
	UBIFS_REF_NODE,
	UBIFS_IDX_NODE,
	UBIFS_CS_NODE,
	UBIFS_ORPH_NODE,
	UBIFS_NODE_TYPES_CNT,
};

(2)UBIFS 节点布局

我们前面通过 mkfs.ubifs 制作生成的 UBIFS 镜像文件，它包含 5 种节点类型，在镜像文件中的布局如下图。

最开始是超级快、后面是两个Master、最后面是Index Node，它们各自的功能如下：

Superblock Node: 存储文件系统的基本信息，如大小、状态、版本等。

Master Node: 保存文件系统的当前状态，包括对日志头和根索引节点的指针。

Commit Start Node:标记一个提交操作的开始。它用于在文件系统崩溃时确定哪些数据是已提交的。

Data Node: 存储文件的数据。每个数据节点都与一个文件的特定部分对应。

Index Node:用于构建UBIFS的索引结构，类似于传统文件系统中的索引节点(inode)。

(3)UBIFS 节点工作原理

挂载文件系统：

读取superblock和master node以恢复文件系统的基本状态和重要元数据指针。
初始化其他必要的数据结构和缓存。

文件操作：

创建文件：在索引树中添加新的索引节点，并分配相应的数据节点来存储文件内容。
读写文件：通过索引节点找到相应的数据节点，然后执行读写操作。
修改文件：修改的数据会写入新的数据节点，并更新相应的索引节点。

提交：

写入 commit start node 以标记提交的开始。
将所有修改的数据节点和索引节点写入闪存。
更新 master node 以反映最新的文件系统状态。

崩溃恢复：

检查 commit start node 以确定哪些提交操作已完成。
通过 master node 恢复文件系统的最新一致状态。

(4)UBIFS 节点分析

这里我们只分析superblock节点，其它node也类似
使用 hexdum 查看一个 ubifs 镜像文件，最开始的位置就是superblock

00000000  31 18 10 06 e6 e4 54 b6  d9 05 00 00 00 00 00 00  |1.....T.........|
00000010  00 10 00 00 06 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000020  00 08 00 00 00 00 02 00  35 00 00 00 64 00 00 00  |........5...d...|
00000030  00 00 16 00 00 00 00 00  04 00 00 00 02 00 00 00  |................|
00000040  01 00 00 00 01 00 00 00  08 00 00 00 00 01 00 00  |................|
00000050  04 00 00 00 01 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000060  00 00 00 00 00 00 00 00  00 ca 9a 3b 1c fe ed 83  |...........;....|
00000070  7a ef 48 f7 83 2c 10 74  b9 36 09 9b 00 00 00 00  |z.H..,.t.6......|
00000080  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00001000  ff ff ff ff ff ff ff ff  ff ff ff ff ff ff ff ff  |................|
*
.........

对上面数据镜像解析，可以看到如下信息：

(五) UBI 镜像文件分析

(1) UBI 数据布局

UBI 主要的数据结构是 ubi_ec_hdr 和 ubi_vid_hdr ：

ubi_ec_hdr: (Erase Counter Header) 包含擦除计数信息头部结构，主要作用是记录和管理物理擦除块的擦除次数。

ubi_vid_hdr: (Volume Identifier Header) 包含卷标识信息头部结构,主要作用是管理和识别物理卷块中的数据。

一个UBI卷被分成多个块，每个块都有这两个头部。ubi_ec_hdr 记录每个块被擦除的次数，帮助管理块的寿命和可靠性。而 ubi_vid_hdr 则确保每个块在卷中的正确位置和数据完整性。

它们在镜像文件或是 flash 中的数据布局如下：

(2) 数据分析

查看 ubi.img 镜像文件的前4KB 数据，这里需要特别注意的是，UBI的数据是按大端模式存储的，与之前分析的镜像文件有所不同

biao@ubuntu:~/test/ubifs$ hexdump -s 0 -n 4096 -C ubi.img 
00000000  55 42 49 23 01 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |UBI#............|
00000010  00 00 02 00 00 00 08 00  20 d2 d3 a0 00 00 00 00  |........ .......|
00000020  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000030  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 92 3a 9d cd  |.............:..|
00000040  ff ff ff ff ff ff ff ff  ff ff ff ff ff ff ff ff  |................|
*
00000200  55 42 49 21 01 01 00 05  7f ff ef ff 00 00 00 00  |UBI!............|
00000210  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00000230  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 b8 25 64 a8  |.............%d.|
00000240  ff ff ff ff ff ff ff ff  ff ff ff ff ff ff ff ff  |................|
*
00000800  00 00 08 21 00 00 00 01  00 00 00 00 01 00 00 0d  |...!............|
00000810  75 62 69 66 73 5f 75 72  61 6e 64 6f 6d 00 00 00  |ubifs_urandom...|
00000820  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00000890  01 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000008a0  00 00 00 00 00 00 00 00  8c 7e c0 aa 00 00 00 00  |.........~......|
000008b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
......

ubi_ec_hdr 的数据解析如下

ubi_vid_hdr 的数据解析如下

(3) UBI工作原理

UBI 的工作原理可以通过下面官方的演示视频来介绍:

坏快管理实现原理可以查看下面视频：

(六)优缺点

(1)优点

(a)耐用性和可靠性：

磨损均衡：UBI能够有效地管理闪存的擦除次数，确保所有的擦除块均匀地使用，从而延长闪存的寿命。

坏块管理：UBI能够检测并处理坏块，确保数据不被写入这些损坏的区域，提高文件系统的可靠性。

崩溃恢复：UBI在系统崩溃或掉电后具有良好的恢复能力，能够尽量减少数据损失。

(b)动态大小管理：

动态分区调整：UBI允许动态调整分区的大小，这对于存储需求变化较大的应用非常有用。

灵活的空间管理：UBI可以灵活地管理闪存空间，支持动态的文件系统分配和调整。

(c)支持大容量闪存：UBI支持大容量的闪存设备，适合用于需要大量存储空间的嵌入式系统中。

(2)缺点

(a)复杂性增加：

设计复杂：UBI的实现较为复杂，需要在内核中增加额外的层次来管理闪存，这增加了系统设计和维护的复杂性。

调试困难：由于其复杂的机制，UBI的问题排查和调试比传统文件系统更加困难。

(b)资源消耗：

内存占用：UBI需要额外的内存来维护其数据结构，对于内存资源有限的嵌入式系统可能会带来一定的压力。

CPU消耗：UBI的运行需要额外的CPU资源来执行磨损均衡和垃圾回收等任务，可能会影响系统的整体性能。

(c)不适合所有应用：

专用性强：UBI主要针对原始闪存设备进行优化，对于使用其他存储介质(如eMMC、SD卡等)的系统，其优势可能不明显。

特定领域应用：UBI的设计主要面向嵌入式系统，对于桌面或服务器系统，其他文件系统(如EXT4、XFS等)可能更为适合。

结尾

总的来说，UBI文件系统在需要高可靠性、高耐用性和灵活空间管理的嵌入式系统中表现出色，但其复杂性和资源消耗也需要在具体应用中进行权衡。

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