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Linux基础 -- NAND Flash UBIFS基础特性及注意点

news 2025/7/5 16:05:33

一、NAND Flash 基础特性及注意点

1.1 NAND Flash 的结构

名称	描述
页（Page）	最小可写单元，常见大小 2K / 4K / 8K
块（Block）	最小擦除单元，通常包含 64~128 页
Plane / Die	多平面架构，提高并发访问效率

1.2 重要特性

不可覆盖写（Out-of-place write）：不能原地更新，只能写入空页；更新数据需要重写新页，并标记旧页为“无效”。
坏块管理（Bad Block Management）：NAND 出厂时和使用过程中可能存在坏块。驱动需跳过这些块，避免使用。
擦除次数有限（Wear Leveling）：NAND Flash 每块寿命通常在 10k~100k 次擦除，需均衡使用块。
位翻转（Bitflip）：需要 ECC（纠错码）机制检测和修复位错误。

二、UBI（Unsorted Block Images）概述

UBI 是为 大容量 NAND Flash 提供的一种擦除块管理机制，它工作在 MTD 原始设备与文件系统之间。

2.1 UBI 的作用

块映射（PEB ↔ LEB）
坏块管理
擦除均衡（wear leveling）
空间回收（garbage collection）

2.2 关键术语

名称	含义
MTD	Memory Technology Device，裸设备接口，如 `/dev/mtdX`
PEB	Physical Erase Block，物理擦除块
LEB	Logical Erase Block，逻辑擦除块
VID Header	UBI 块的元信息，包含版本、校验、EC 等
EC Header	擦除计数信息

2.3 使用注意事项

UBI 必须格式化原始 NAND Flash，通过 ubiformat。
ubiattach 不会破坏数据，但必须配合 ubi.mtd=x 参数。
最大 UBI 设备块数有限（默认 2048），可通过 CONFIG_MTD_UBI_BEB_LIMIT 与 CONFIG_MTD_UBI_MAX_VOLUMES 调整。

三、UBIFS（UBI File System）概述

3.1 UBIFS 是什么？

UBIFS 是专门为大容量 NAND Flash 设计的日志型文件系统，它 依赖于 UBI 层 提供的抽象。

3.2 特性优势

支持压缩（LZO、ZLIB）
日志结构（支持断电恢复）
支持写缓存与回写机制
动态 GC 与擦除均衡
CRC 校验保证数据完整性

3.3 UBIFS 的组件结构

+---------------------+
|     应用程序        |
+---------------------+
|       VFS           |
+---------------------+
|      UBIFS          |
+---------------------+
|        UBI          |
+---------------------+
|       MTD/NAND      |
+---------------------+

四、UBI & UBIFS 使用流程与工具

4.1 MTD 分区设置（如 in DTS）

partition@0 {label = "ubi";reg = <0x00000000 0x08000000>; // 128MB
};

4.2 工具链使用

`ubiformat`

擦除并格式化 NAND 的某个 MTD 分区供 UBI 使用：

ubiformat /dev/mtdX -y -f rootfs.ubifs

`ubiattach`

将某个 MTD 分区附加为 /dev/ubiX

ubiattach /dev/ubi_ctrl -m X

`ubimkvol`

创建逻辑卷（volume）：

ubimkvol /dev/ubi0 -N rootfs -s 60MiB

`ubiupdatevol`

直接更新 volume 内容（适用于数据升级）：

ubiupdatevol /dev/ubi0_0 rootfs.ubifs

`mkfs.ubifs`

制作 UBIFS 镜像：

mkfs.ubifs -r rootfs_dir -m 4096 -e 258048 -c 2048 -o rootfs.ubifs

参数说明：

-m：最小 I/O 单元（来自 /sys/class/mtd/mtdX/writesize）
-e：逻辑擦除块大小（来自 /sys/class/mtd/mtdX/erasesize 减去头部）
-c：最多 LEB 数量（不能超过分区块数）

五、启动参数与挂载方式

5.1 kernel cmdline 参数（例如）

ubi.mtd=ubi root=ubi0:rootfs rootfstype=ubifs

5.2 fstab 中设置挂载

/dev/ubi0_0  /  ubifs  defaults  0  1

六、NAND + UBI + UBIFS 使用的常见陷阱与建议

问题或陷阱	建议解决方案
未使用 `ubiformat` 而直接 `ubiattach` 导致挂载失败或旧数据干扰	一定要先使用 `ubiformat` 格式化
mkfs.ubifs 的 `-m` 与 `-e` 参数不匹配	从 `/sys/class/mtd/mtdX/` 获取真实值
sync 非常慢	这是 NAND+UBIFS 的特性，建议异步写加回写控制（如 `mount -o sync` 慎用）
volume 太多或太大	合理设计 volume 数量，避免超过 UBI 的最大 LEB 限制
嵌入式系统需要容错和容灾	建议使用双系统分区（A/B）、或 rootfs + overlayfs 实现热升级

七、对比其他 Flash 文件系统

文件系统	适用介质	压缩	坏块管理	挂载速度	特点
JFFS2	NOR / 小容量 NAND	支持	支持	慢（全扫描）	结构简单
UBIFS	大容量 NAND	支持	依赖 UBI	快	可写缓存
YAFFS2	NAND	否	支持	中等	实时性好
F2FS	eMMC/UFS/SD	支持	控制器管理	快	高性能日志型