摘 要： 针对以NAND Flash为存储介质时Yaffs2文件系统存在磨损均衡的缺陷，通过改进回收块选择机制，并在数据更新中引入冷热数据分离策略，从而改善NAND Flash的磨损均衡性能。实验借助Qemu软件建立Linux嵌入式仿真平台，从总擦除次数、最大最小擦除次数差值和块擦除次数标准差等方面进行对比。实验结果表明，在改进后的Yaffs2文件系统下NAND Flash的磨损均衡效果有明显提升，这有益于延长NAND Flash的使用寿命。

关键词： Yaffs2文件系统；NAND Flash；垃圾回收；冷热数据

0 引言

NAND Flash存储设备与传统机械磁盘相比，具有体积小、存储密度高、随机存储和读写能力强、抗震抗摔、功耗低等特点[1]。它被广泛用于智能手机、车载智能中心、平板电脑等智能终端中。近年来，以NAND Flash为存储介质的固态硬盘也得到越来越多的应用。目前Yaffs2文件系统(Yet Another Flash File System Two，Yaffs2)[1]是使用最多、可移植性最好的专用文件系统，在安卓、阿里云OS、Linux等嵌入式系统中都有使用。在Yaffs2文件系统下以NAND Flash为存储介质时存在磨损均衡的缺陷，可通过对回收块选择机制作改进和引入冷热数据分离策略来提高磨损均衡的效果。

1 Yaffs2电感厂家和Nand Flash关系

这里以使用最多的Linux操作系统为实践，将Yaffs2文件系统移植到Linux操作系统中。Linux系统通常可以分为3层：应用层、内核层和设备层，其中支持NAND Flash设备的Yaffs2文件系统属于内核层，如图1所示。

最上层用户应用程序通过VFS(Virtual File System)提供的统一接口，将数据更新等文件操作传递给Yaffs2。VFS代表虚拟文件系统，它为上层应用提供统一的接口。有了这些接口，应用程序只用遵循抽象后的访问规则，而不必理会底层文件系统和物理构成上的差异。然后Yaffs2通过MTD（Memory Technology Device）提供的统一访问接口对NAND Flash进行读、写和擦除操作，从而完成数据的更新或者存储操作。MTD代表内存技术设备，它为存储设备提供统一访问的接口。最终，在NAND Flash上以怎样的格式组织和存储数据由Yaffs2文件系统决定。

NAND Flash由若干块(block)组成，每个块又是由若干页(page)组成，页中含有数据区和附加区。NAND Flash的页根据状态不同，可以分为有效页、脏页、空闲页。有效页中存放有效数据，脏页中存放无效数据，空闲页是经过擦除后可以直接用于写入数据的页。NAND Flash在写入数据前需要执行擦除操作，因此数据不能直接在相同的位置更新。当一个页中数据需要更新时，必须将该页中有效数据拷贝到其他空闲页上再更新，并将原来页上的数据置为无效。随着时间的推移，许多无效页累积在存储器中使得空闲页逐渐减少。当存储器中的空闲空间不足电感器企业时，启动垃圾回收操作，利用回收块选择机制从待回收块中选取满足要求的块来擦除，从而得到足够的空闲空间。NAND Flash中块的擦除次数有限，通常为10 000次～100 000次[2]。当某个块的擦除次数超过使用寿命时，该块将无法正常用于数据存储。因此，垃圾回收应利用合理的回收块选择机制，从待回收块中找到回收后能产生良好磨损均衡效果且付出较少额外代价的块来回收，从而获得足够的空闲空间用于数据更新操作。

2 Yaffs2在磨损均衡方面的缺陷

Yaffs2中回收块的选择机制[3]是从待回收块中找到有效数据最少的块来回收。回收过程中，Yaffs2能够减少有效数据的额外读和写操作。当数据更新处于均匀分布的情况下，Yaffs2表现出较好的磨损均衡效果。

但是，通常情况下数据的更新频率不同，有些数据经常更新，而有些数据很少更新。经常更新的数据称为热数据，很少更新的数据称为冷数据[1]。如果某个块上总有热数据不断更新，那么该块上有效数据会变少，Yaffs2容易选中这样的块来更新。而当某个块中含大量有效冷数据时，冷数据少更新的特点使得Yaffs2难以选中这类块来更新。更新后的块会用于存放新写入的数据，而新写入的数据通常是热数据，由此可知热数所在块会经常被更新。最终热数据所在的块成为擦除次数多的块，冷数据所在的块成为擦除次数少的块。因此Yaffs2的回收块选择机制会造成NAND Flash设备中块的擦除次数呈两级分化，即块的最大、最小擦除次数差值不断变大。所以Yaffs2中不应只考虑数据更新所产生的额外读写代价，还应考虑块的存在年龄对磨损均衡效果的影响，这才能解决磨损均衡中两级分化的问题。大电流电感

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