linux ubi文件系统

1，UBI（Unsorted Block Images）是 Linux 内核中为原始 Flash 设备提供的一种抽象层，位于 MTD（Memory Technology Device）和文件系统（如 UBIFS）之间。它负责坏块管理、磨损均衡、逻辑卷管理和擦除计数等功能。下面我们将介绍如何在 Linux 环境下模拟实现一个简化版的 UBI 文件系统。

一、UBI 架构与设计思路

1. UBI 的核心功能

• 坏块管理（Bad Block Handling）：识别并跳过坏块。
• 磨损均衡（Wear Leveling）：动态分配擦除操作，延长 Flash 寿命。
• 逻辑卷管理（Volume Management）：将物理擦除块映射为逻辑卷。
• 擦除计数（Erase Counting）：记录每个擦除块的擦除次数。

2. 模拟实现思路

• 使用文件模拟 Flash 存储设备。
• 设计 UBI 层的数据结构，包括擦除块信息、逻辑卷信息等。
• 实现核心功能：坏块扫描、磨损均衡、逻辑卷读写。

二、关键数据结构

1. 擦除块信息（struct ubi_ec_hdr）

struct ubi_ec_hdr {
    uint32_t magic;      // UBI 魔数
    uint8_t version;     // UBI 版本
    uint8_t padding1[3];
    uint64_t ec;         // 擦除计数
    uint32_t vid_hdr_offset; // VID 头偏移
    uint32_t data_offset;    // 数据偏移
    uint32_t image_seq;      // 镜像序列号
    uint8_t padding2[32];
};

2. 逻辑卷信息（struct ubi_volume）

struct ubi_volume {
    int vol_id;          // 卷 ID
    int leb_count;       // 逻辑擦除块数量
    int usable_leb_size; // 可用逻辑擦除块大小
    char name[16];       // 卷名
};

3. UBI 设备信息（struct ubi_device）

struct ubi_device {
    FILE *flashfile;     // 模拟 Flash 的文件
    int peb_count;       // 物理擦除块数量
    int peb_size;        // 物理擦除块大小
    int leb_count;       // 逻辑擦除块数量
    int leb_size;        // 逻辑擦除块大小
    struct ubi_ec_hdr *ec_hdrs; // 擦除块头信息
    struct ubi_volume *volumes; // 逻辑卷信息
};

三、核心功能实现

1. 初始化 UBI 设备

int ubi_init_device(struct ubi_device *ubi, const char *filename, int peb_count, int peb_size) {
    ubi->flashfile = fopen(filename, "r+b");
    if (!ubi->flashfile) {
        perror("Failed to open flash file");
        return -1;
    }

    ubi->peb_count = peb_count;
    ubi->peb_size = peb_size;
    ubi->leb_count = peb_count - 10; // 预留部分块用于 UBI 管理
    ubi->leb_size = peb_size - sizeof(struct ubi_ec_hdr);

    ubi->ec_hdrs = calloc(peb_count, sizeof(struct ubi_ec_hdr));
    ubi->volumes = calloc(1, sizeof(struct ubi_volume));

    // 初始化擦除块头
    for (int i = 0; i < peb_count; i++) {
        ubi->ec_hdrs[i].magic = UBI_EC_HDR_MAGIC;
        ubi->ec_hdrs[i].version = 1;
        ubi->ec_hdrs[i].ec = 0;
        ubi->ec_hdrs[i].vid_hdr_offset = sizeof(struct ubi_ec_hdr);
        ubi->ec_hdrs[i].data_offset = sizeof(struct ubi_ec_hdr) + sizeof(struct ubi_vid_hdr);
    }

    return 0;
}

2. 坏块扫描

int ubi_scan_bad_blocks(struct ubi_device *ubi) {
    for (int i = 0; i < ubi->peb_count; i++) {
        fseek(ubi->flashfile, i * ubi->peb_size, SEEK_SET);
        struct ubi_ec_hdr hdr;
        fread(&hdr, sizeof(struct ubi_ec_hdr), 1, ubi->flashfile);

        if (hdr.magic != UBI_EC_HDR_MAGIC) {
            printf("PEB %d is bad or uninitialized\n", i);
            // 标记为坏块
            ubi->ec_hdrs[i].ec = -1;
        }
    }
    return 0;
}

3. 磨损均衡

int ubi_wear_leveling(struct ubi_device *ubi) {
    // 找到擦除次数最小的块
    int min_ec = INT_MAX, min_peb = -1;
    for (int i = 0; i < ubi->peb_count; i++) {
        if (ubi->ec_hdrs[i].ec != -1 && ubi->ec_hdrs[i].ec < min_ec) {
            min_ec = ubi->ec_hdrs[i].ec;
            min_peb = i;
        }
    }

    if (min_peb == -1) {
        printf("No available PEB for wear leveling\n");
        return -1;
    }

    // 模拟擦除操作
    ubi->ec_hdrs[min_peb].ec++;
    printf("Wear leveling: PEB %d, EC %d\n", min_peb, ubi->ec_hdrs[min_peb].ec);

    return 0;
}

4. 逻辑卷读写

int ubi_leb_read(struct ubi_device *ubi, int vol_id, int lnum, char *buf, int offset, int len) {
    if (vol_id >= 1 || lnum >= ubi->volumes[vol_id].leb_count) {
        printf("Invalid volume ID or LEB number\n");
        return -1;
    }

    int peb = lnum; // 简化映射：LEB 直接映射到 PEB
    fseek(ubi->flashfile, peb * ubi->peb_size + ubi->ec_hdrs[peb].data_offset + offset, SEEK_SET);
    fread(buf, len, 1, ubi->flashfile);

    return 0;
}

int ubi_leb_write(struct ubi_device *ubi, int vol_id, int lnum, const char *buf, int offset, int len) {
    if (vol_id >= 1 || lnum >= ubi->volumes[vol_id].leb_count) {
        printf("Invalid volume ID or LEB number\n");
        return -1;
    }

    int peb = lnum; // 简化映射：LEB 直接映射到 PEB
    fseek(ubi->flashfile, peb * ubi->peb_size + ubi->ec_hdrs[peb].data_offset + offset, SEEK_SET);
    fwrite(buf, len, 1, ubi->flashfile);

    // 更新擦除计数
    ubi->ec_hdrs[peb].ec++;

    return 0;
}

四、完整示例代码