智能網(wǎng)絡磁盤存儲系統(tǒng)中嵌入式部分的研究和實現(xiàn)

摘要：提出了一種智能網(wǎng)絡磁盤的存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。詳細介紹了智能網(wǎng)絡磁盤接口的硬件和嵌入式操作系統(tǒng)的選型以及編譯和移植方法，最后根據(jù)智能網(wǎng)絡磁盤的需要對uClinux操作系統(tǒng)下多文件系統(tǒng)進行了研究。

關鍵詞：智能網(wǎng)絡磁盤； 嵌入式系統(tǒng)； uClinux； 多文件系統(tǒng)

中圖分類號：TP336文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)11-0180-03

目前，網(wǎng)絡存儲架構(gòu)大致可分為DAS（direct－attached sto￣rage）、NAS（network－attached storage）、SAN（storage area network）。其中，DAS的速度最快，但是資源無法共享。為了解決DAS的部分難題，存儲市場出現(xiàn)了SAN與NAS兩種不同的存儲架構(gòu)。

為了解決架構(gòu)昂貴和服務器單點故障的問題，本文提出了用嵌入式開發(fā)板代替服務器的功能，即智能網(wǎng)絡磁盤（IND）。圖1是智能網(wǎng)絡磁盤存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。多個智能網(wǎng)絡磁盤實行分布式存儲，這樣可以輕松擴充存儲容量和解決單點故障以及實現(xiàn)負載平衡。

1嵌入式硬件選型

智能網(wǎng)絡磁盤的重要特點就是硬盤連接嵌入式開發(fā)板并通過網(wǎng)卡與外面進行數(shù)據(jù)交換，所以開發(fā)板上IDE接口和網(wǎng)卡是必不可少的；另外還需要串口和JTAG接口進行移植和調(diào)試以及需要用NOR flash來存儲嵌入式操作系統(tǒng)和程序；當然內(nèi)存也是必不可少的。

在這里選擇的開發(fā)板是三星公司的以ARM7TDMI為內(nèi)核的S3C44B0X的處理器；存儲器采用2 MB 16位數(shù)據(jù)寬度的NOR flash和8 MB 16位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM；外部接口用于下載和通信，配備以太網(wǎng)接口來支持網(wǎng)絡功能，配備IDE接口來支持硬盤。開發(fā)板的主要功能框圖如圖2所示。

2嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

嵌入式系統(tǒng)發(fā)展已有二十多年的歷史，國際上也出現(xiàn)了一些著名的嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks、Palm OS、Windows CE等，但這些操作系統(tǒng)均屬于商業(yè)化產(chǎn)品，價格昂貴且由于源代碼不公開導致了諸如對設備的支持、應用軟件的移植等一系列的問題。uC/OSⅡ和uClinux操作系統(tǒng)是當前得到廣泛應用的兩種免費且公開源碼的嵌入式操作系統(tǒng)。本文對嵌入式系統(tǒng)的選擇是通過對這兩種操作系統(tǒng)進行比較以及項目的需求來決定的。

uC/OSⅡ適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點，最小內(nèi)核可編譯至2 KB。uClinux則是繼承標準Linux的優(yōu)良特性，針對嵌入式處理器的特點設計的一種操作系統(tǒng)，具有內(nèi)嵌網(wǎng)絡協(xié)議、支持多種文件系統(tǒng)、開發(fā)者可利用標準Linux先驗知識等優(yōu)勢，其編譯后目標文件可控制在幾百K量級。

通過對uC/OSⅡ和uClinux的比較，可以看出這兩種操作系統(tǒng)在應用方面各有優(yōu)劣。uC/OSⅡ占用空間少、執(zhí)行效率高、實時性能優(yōu)良，且針對新處理器的移植相對簡單。uClinux則占用空間相對較大、實時性能一般，針對新處理器的移植相對復雜。但是，uClinux具有對多種文件系統(tǒng)的支持能力、內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議。考慮到智能網(wǎng)絡磁盤需要強大的網(wǎng)絡功能和對多種文件系統(tǒng)的支持，如需要支持硬盤的FAT文件系統(tǒng)和適合flash的Ext2文件系統(tǒng)，故選擇了uClinux操作系統(tǒng)來進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

uClinux就是Micro－Control－Linux，它也是一個開放源碼的項目。uClinux的源代碼和開發(fā)工具可以免費從http://www.uClinux.org上下載。uClinux是專為那些沒有MMU(內(nèi)存管理單元)的嵌入式處理器開發(fā)的。與主流的Linux相比，uClinux有以下的特點：

a)簡化了內(nèi)核加載方式。

uClinux的內(nèi)核可以在flash上直接運行，將uClinux的內(nèi)核的可執(zhí)行映像燒寫到flash上，系統(tǒng)啟動時從flash的某個地址開始逐句執(zhí)行；也可以加載到內(nèi)存中運行，將內(nèi)核的壓縮文件存放在flash上，系統(tǒng)啟動時讀取壓縮文件在內(nèi)存中解壓，然后開始執(zhí)行。

b）采用了Romfs文件系統(tǒng)作為根文件系統(tǒng)。

這種文件系統(tǒng)相對于一般的Ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間。首先內(nèi)核支持Romfs文件系統(tǒng)比支持Ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼；其次Romfs文件系統(tǒng)相對簡單，建立文件系統(tǒng)superblock需要更少的存儲空間。Romfs文件系統(tǒng)不支持動態(tài)擦寫，對于系統(tǒng)需要動態(tài)保存的數(shù)據(jù)采用RAM盤的方法處理。RAM盤采用Ext2文件系統(tǒng)。

c）使用了Flat可執(zhí)行文件格式。

Elf格式有很大的文件頭；Flat文件對文件頭和一些段信息進行了簡化。

d）重寫了應用程序庫。

uclibc對libc進行了精簡，uClinux對用戶程序采用靜態(tài)鏈接的形式。uClinux的開發(fā)環(huán)境http://www.uClinux.org為uClinux提供了GNU的交叉編譯器，包括以下組件：gcc交叉編譯器，即在宿主機上開發(fā)編譯目標上可運行的二進制文件；binutils輔助工具，包括objdump、as、ld等；gdb調(diào)試器。

3嵌入式系統(tǒng)的編譯和移植

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程比較復雜，包括了開發(fā)環(huán)境的建立以及代碼的編譯和移植；而代碼的編譯和移植包括Bootloader的編譯和移植、uClinux內(nèi)核的編譯和移植以及文件系統(tǒng)的編譯和移植。圖3所示即為嵌入式Linux的系統(tǒng)概念圖。在進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)前，必須先建立開發(fā)環(huán)境。

3．1建立主機開發(fā)環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)不適宜以Native方式進行，即本機（host）開發(fā)、調(diào)試，本機運行的方式。因為對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，沒有足夠的資源在開發(fā)板運行開發(fā)工具和調(diào)試工具。通常的嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用一種交叉編譯調(diào)試的方式。交叉編譯調(diào)試環(huán)境建立在主機上，對應的開發(fā)板叫做目標板。

開發(fā)時使用宿主機上的交叉編譯、匯編及連接工具形成可執(zhí)行的二進制代碼，然后將可執(zhí)行文件下載到目標板上運行。宿主機和目標板的處理器一般都不相同，宿主機為Intel處理器，而目標板為三星的S3C44B0X。在進行嵌入式開發(fā)前第一步的工作就是要安裝一臺裝有指定操作系統(tǒng)的PC機作為宿主開發(fā)機，對于嵌入式Linux，宿主機上的操作系統(tǒng)一般要求為Redhat Linux。筆者選用的宿主機的操作系統(tǒng)是Redhat Linux 13．8。在宿主機Linux環(huán)境下編譯開發(fā)包括編譯Bootloader、編譯Linux內(nèi)核、制作文件系統(tǒng)。在主機上安裝好Linux后還要對系統(tǒng)進行配置用于以后的移植，這樣配置好了minicom和TFTP以及NFS。

需要獲得ARM開發(fā)工具來建立交叉編譯環(huán)境，http://www.uClinux.org提供uClinux的交叉編譯工具。要在開發(fā)主機上為ARM目標系統(tǒng)編譯uClinux，還需要從http://www.uClinux.org/pub/.../arm－elf－tools/上下載ARM交叉編譯器arm－elf－tools－20030314.sh；得到這個文件以后，執(zhí)行以下命令：

sharm－elf－tools－20030314.sh

3．2U－Boot的編譯

U－Boot是德國DENX小組開發(fā)的用于多種嵌入式CPU的開放源代碼bootloader程序。U－Boot是在PPCBoot以及ARMboot的基礎上發(fā)展而來，現(xiàn)已非常成熟和穩(wěn)定，在許多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中被采用。目前支持的目標操作系統(tǒng)包括OpenBSD、NetBSD、FreeBSD、 Linux、SVR4、Esix、Solaris、rix、SCO、Dell、NCR、VxWorks、Lynxos、pSOS、QNX、RTEMS和ARTOS。U－Boot支持很多處理器，包括PowerPC、ARM、MIPS、x86、Nios、X Scale等諸多常用系列處理器。它是嵌入式Linux Bootloader的最佳選擇。

下載U－Boot的源碼可以通過ftp://ftp.denx.de/pub/u－boot/下載正式發(fā)布的壓縮文件，可以選擇下載U－Boot 1．1．1。移植U－Boot到新的開發(fā)板上僅需要修改和硬件相關的部分，在代碼結(jié)構(gòu)上添加如下幾個步驟進行編譯：

a)在board目錄下創(chuàng)建gold44b目錄，創(chuàng)建gold44b.c以及flash.c、memsetup.s、u－boot.lds等。不需要從零開始，可選擇一個相似的目錄直接復制過來，修改文件名以及內(nèi)容。由于U－Boot已經(jīng)包含基于s3c24b0的開發(fā)板目錄，作為參考，也可以復制相應的目錄。

b)在CPU目錄下創(chuàng)建s3c44b0x目錄，主要包含start.s、interrupts.c以及cpu.c、serial.c幾個文件。同樣不需要從零開始建立文件，直接從arm720t復制，然后修改相應內(nèi)容。

c)在include/configs目錄下添加gold44b.h，在這里放上全局的宏定義等。

d)找到U－Boot根目錄下makefile，修改加入gold44b_config:unconfig@./mkconfig$(@:_config=)arm s3c44b0 gold44b。

e)運行make ev44bii_config，編譯后生成最終可以下載到flash中的uboot.bin文件。如果沒有錯誤就可以開始硬件相關代碼的移植工作。

3．3uClinux的編譯

在對uClinux進行裁減和編譯前，首先要下載uClinux的源代碼。可以在uClinux的官方網(wǎng)址下載uClinux的源碼包——uClinux－dist－20051110.tar。然后將其拷貝到home目錄下，再對其進行解壓，輸入如下命令：

tar zxvf uClinux－dist－20051110.tar

解壓完畢后，就會在home目錄下生成uClinux－dist，再進入到該目錄下輸入如下命令：

cd uClinux－dist

然后依次輸入如下命令：

make menuconfig

make dep

make romfs

make image

make

這樣就會在/home/uClinux－dist/image目錄下產(chǎn)生三個文件image.rom、image.ram和romfs.img。其中：image.rom是內(nèi)核的映像文件；image.ram是內(nèi)核的調(diào)試文件；romfs.img是根文件系統(tǒng)的映像文件。

3．4U－Boot映像、內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像的下載

在宿主機使用Redhat上的minicom、TFTP將啟動加載程序U－Boot映像、內(nèi)核映像、根文件系統(tǒng)映像依次下載到開發(fā)板上。其中還應正確設置以下U－Boot環(huán)境變量：網(wǎng)絡屬性ethact、ethaddr、ipaddr、netmask、gatewayip、serverip、hostname，內(nèi)核啟動參數(shù)bootdelay，默認執(zhí)行的啟動命令串bootcmd。通過適當設置bootargs和bootcmd變量來選擇加載文件系統(tǒng)的方法——使用RAMdisk技術(shù)還是NFS。當然前提是已將內(nèi)核編譯成支持該功能。建議在軟件開發(fā)過程中采用NFS遠程加載文件系統(tǒng)，便于進行動態(tài)軟件開發(fā)調(diào)試；在把軟件最終固化到板上時采用RAMdisk的方式加載文件系統(tǒng)并固化進flash。

4多文件系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

Linux支持很多種文件系統(tǒng)，uClinux繼承了Linux的特性，也支持很多種文件系統(tǒng)。要在uClinux內(nèi)核上構(gòu)建多個文件系統(tǒng)，首先就要選擇一個根文件系統(tǒng)在這里選擇Romfs作為嵌入式系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)。這是因為Romfs本身是uClinux的默認根文件系統(tǒng)，且相對簡單、易于開發(fā)和維護；所需的存儲空間也比其他文件系統(tǒng)要少；同時因為嵌入式系統(tǒng)中的大部分代碼通常是固定不變的，而Romfs又是只讀文件系統(tǒng)，還可防止根文件系統(tǒng)被意外修改。

在建立可讀寫的文件系統(tǒng)時，通常選用JFFS2文件系統(tǒng)。這是因為充分考慮了flash的各種技術(shù)特性和操作限制，JFFS2文件系統(tǒng)能夠高效地直接對flash芯片進行操作。同時充分考慮了非正常斷電對文件系統(tǒng)的破壞，使文件崩潰后能夠迅速地恢復。還可以加一個RAMdisk文件系統(tǒng)。這是因為有些系統(tǒng)可能在數(shù)據(jù)庫處理時需要用到RAMdisk文件系統(tǒng)，這樣可以獲得高速度，簡單而明快。對于那些只讀的數(shù)據(jù)庫來說，這是一個非常實用的方案。

對于操作系統(tǒng)而言，其文件系統(tǒng)只有一個，即根文件系統(tǒng)。當然也可以根據(jù)需要掛上其他的文件系統(tǒng)。當根文件系統(tǒng)和普通文件系統(tǒng)并存時，flash上的布局如圖4所示。

5結(jié)束語

本文提出了一種新的網(wǎng)絡存儲架構(gòu)——智能網(wǎng)絡存儲存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種存儲架構(gòu)是用嵌入式系統(tǒng)來替代服務器的功能，多個IND還可以解決服務器單點故障的問題。說明了嵌入式系統(tǒng)所需要的硬件資源，并詳細介紹了嵌入式軟件系統(tǒng)的開發(fā)，包括Bootloader的制作、uClinux的編譯和文件系統(tǒng)的制作，以及它們的移植。考慮到IND涉及到多種存儲設備，可能需要支持多種文件系統(tǒng)，這樣就對多文件系統(tǒng)做了一些研究，在根文件系統(tǒng)上掛載其他需要的文件系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多種文件系統(tǒng)的支持。

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