[发明专利]嵌入式文件系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种，特别涉及一种嵌入式文件系统。

技术背景

电脑文件系统的可靠性是指在非正常断电等特殊情况下，文件系统的健壮性。在特殊情况出现后，一个可靠的文件系统可以保证自己仍然处于一个正确的状态，而不影响在其上面的继续操作(可能会丢失部分数据)。PC机在使用中特殊情况出现后，即使文件系统不保证其可靠性，用户也可以通过运行类似fsck程序或者第三方工具来对文件系统进行修复。然而在嵌入式系统中，这个方法则行不通，因为相当的嵌入式系统是没有软件管理员的，他们可能被大量安装在无人值守环境下，如果一旦出现断电就要把他们取回进行文件系统修复操作，这是不可想象的。所以可靠性对于嵌入式文件系统来说，尤为重要。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种嵌入式文件系统。整个文件系统被设置成树形的数据结构，采用Phase Tree算法，并有一个根节点指向文件系统，系统中细分为三个树形的子数据结构，分别为Recorded Tree、Branching Tree和Recording Tree，Recorded Tree记录了当前位于磁盘上的文件系统镜像，Recording Tree记录了最新的文件系统镜像，Branching Tree记录了距离目前为止最近的文件系统位于一致性状态的镜像，三个树形数据结构会不断进行转换，并修改文件系统的根结点，整个文件系统操作具有原子性，每个树形数据结在转换中仅修改差异的部分，系统包含以下步骤：

A文件系统的原子化；

B确定根节点(metaroot)；

C开辟一个工作区域；

D转换操作，所有对FAT的操作在FAT2上进行，所有的操作都不影响当前位于磁盘上文件系统的一致性，修改完成后，再修改根节点(BPB)，将FAT2作为新的有效的FAT表，将根目录工作区作为新的根目录；

E建立FAT Phase Tree数据结构，原子文件系统采用Fat Phase Tree算法；

F系统初始化，纪录该目录/文件在meta子树中的位置；

G写文件操作，采用copy-on-write的方式来进行写入操作，对于所有涉及到修改的数据，都必须在原有系统得空闲空间上复制一块然后在上面修改，最后再将修改后的数据替换原有数据；

H新建节点Cluster操作；

I删除节点Cluster操作；

J读操作。

由于修改根结点操作是原子性的(要么做完，要么没有做，不会产生一个做了一半的情况)，所以使得整个文件系统操作也具有原子性，从而不再会产生不一致的状态。为了提高效率，每颗树在转换的时候仅仅修改差异的部分，这样就避免了大数据的修改工作，此外，对关键数据在内存中进行缓冲也可以加快关键数据的访问速度，也将大幅度提升该文件系统的效率。

该文件系统采用Phase Tree算法，当系统非正常断电的时候，整个文件系统仍可以保持一致性而不被损坏，并且再次开机的时候无需做任何文件系统扫描和修复操作，使得系统可以像正常情况一样快速启动起来。

利用优化改进的Phase Tree算法，成功的将Linux原有的ext2文件系统转换成了一个可靠的文件系统。

树形数据中的节点为文件系统元数据Meta Data，而非目录树，每当有写操作的时候，就在空闲空间内创建这棵树形数据结构的分支，再执行原子化的更新，将旧的树形数据结构更新为分支，操作一步完成，中间不可被打断，保证文件系统的一致性。

三个树形的子数据结构Phase Treee同时存在，每一个树形的子数据结构都有着自己独立的meta root。其中一棵记录了磁盘上当前已经完整写入的一致状态，称为Recorded Tree，该树形的全部数据都位于磁盘。另一个树形的子数据结构也记录了一个一致状态，不过它的meta root位于系统内存中，而且其中可能有一些数据还没有被写入到磁盘中(即为Dirty Buffer)，称为Recording Tree。第三个树形的子数据结构全部位于系统内存中，不处于一致状态，我们把它叫做Branching Tree。