1、TpsFs簡介
TpsFs（True Power Safe File System）是一款掉電安全的文件系統，該文件系統是SylixOS內建文件系統（專利技術）。TpsFs是基於事務的B+樹文件系統：對元數據的修改使用事務提交的機制，保證了文件系統的一致性；使用B+樹管理磁盤空間和文件空間，使得存儲文件數據與定位速度更快、空間管理效率更高。TpsFs的源碼可以在SylixOS Base工程下的"libsylixos/SylixOS/fs/TpsFs/"目錄下查看。
2、TpsFs基本數據結構簡介
每一種文件系統都有自己特定的數據結構和管理數據的方式，不同的文件系統其數據結構也有所不同，但所有文件系統也有一定的共性。下面介紹TpsFs中用來管理數據的一些結構。
2.1數據單元
當文件系統在磁盤分區上創建後，就可以進行數據的讀取和存儲了。數據在寫入磁盤或從磁盤讀取時每次操作的數據量稱爲數據單元，它的大小在建立文件系統時確定。數據單元在不同的文件系統中有不同的稱呼方式，例如FAT中的"簇"，EXT中的"塊"。一個數據單元由若干個連續物理扇區組成，大小總是2的整數次冪個扇區。存儲數據時，系統以數據單元爲最小單位爲其分配存儲空間。在TpsFs中，數據單元以"塊"爲單位，並且最小不能小於4096字節，塊大小可以在格式化TpsFs文件系統時通過tpsFsFormat函數的參數指定，通常情況下將其設置爲4096字節。tpsFsFormat函數原型如程序清單2- 1所示。
程序清單2- 1 tpsFs格式化函數
errno_t tpsFsFormat (PTPS_DEV pdev, UINT uiBlkSize)
函數tpsFsFormat原型分析如下：
函數成功返回ERROR_NONE，失敗返回錯誤號；
參數pdev是設備對象；
參數uiBlkSize是塊大小。
塊號的定義如程序清單2- 2所示。
程序清單2- 2 塊號定義
typedef UINT64 TPS_INUM;
2.2超級塊
超級塊用來描述一個文件系統的基本信息，例如文件系統塊大小、總塊數、文件系統在磁盤分區內的整體佈局（數據區、日誌區等位置和大小）、已打開文件鏈表等等。TpsFs將超級塊保存在磁盤分區的第0塊內，每一個磁盤分區內只有一個超級塊結構體。超級塊結構體的定義如程序清單2- 3所示。
程序清單2- 3 超級塊結構體定義
typedef struct tps_super_block {
UINT SB_uiMagic; /* magic數值 */
UINT SB_uiVersion; /* 版本 */
UINT SB_uiSectorSize; /* 塊設備的扇區大小 */
UINT SB_uiSectorShift;
UINT SB_uiSectorMask;
UINT SB_uiSecPerBlk; /* 每塊扇區數 */
UINT SB_uiBlkSize; /* 塊大小 */
UINT SB_uiBlkShift;
UINT SB_uiBlkMask;
UINT SB_uiFlags; /* 掛載標識 */
UINT64 SB_ui64Generation; /* 標識一次格式化用於系統修復 */
UINT64 SB_ui64TotalBlkCnt; /* 總塊數 */
UINT64 SB_ui64DataStartBlk; /* 數據塊起始 */
UINT64 SB_ui64DataBlkCnt; /* 數據塊數量 */
UINT64 SB_ui64LogStartBlk; /* 日誌塊起始 */
UINT64 SB_ui64LogBlkCnt; /* 日誌塊數量 */
UINT64 SB_ui64BPStartBlk; /* btree塊緩衝表起始塊 */
UINT64 SB_ui64BPBlkCnt; /* btree塊緩衝表塊數量 */
TPS_INUM SB_inumSpaceMng; /* 空間管理inode號 */
TPS_INUM SB_inumRoot; /* 文件系統根inode號 */
TPS_INUM SB_inumDeleted; /* 已刪除文件列表 */
PTPS_DEV SB_dev; /* 設備對象指針 */
struct tps_inode *SB_pinodeSpaceMng; /* 空間管理inode */
struct tps_inode *SB_pinodeRoot; /* 文件系統根inode */
struct tps_inode *SB_pinodeDeleted; /* 已經刪除的文件 */
struct tps_inode *SB_pinodeOpenList; /* 以打開文件鏈表 */
UINT SB_uiInodeOpenCnt; /* 當前打開文件數 */
PUCHAR SB_pucSectorBuf; /* 磁盤頁面緩衝區 */
struct tps_blk_pool *SB_pbp; /* btree塊緩衝鏈表 */
struct tps_trans_sb *SB_ptranssb; /* 事務系統超級塊 */
} TPS_SUPER_BLOCK;2.3inode節點
inode節點也被稱作元數據，用於表示一個文件，這裏的文件不只是普通文件，也包括目錄等其他類型的文件，與Linux相似，SylixOS也遵循一切皆文件的原則，文件的類型定義符合UNIX標準，文件類型保存在inode結構體中的IND_iMode成員裏，其類型有以下幾種。
表2- 1 文件類型
IND_iMode | 文件類型 |
S_IFIFO | FIFO文件 |
S_IFCHR | 字符設備 |
S_IFDIR | 目錄 |
S_IFBLK | 塊設備 |
S_IFREG | 普通文件 |
S_IFLNK | 符號鏈接 |
S_IFSOCK | Socket文件 |
inode還記錄了文件的大小、創建時間、訪問權限等內容。
2.4目錄項
如果一個文件的類型爲目錄，那麼這個文件的數據區保存的數據就是目錄項結構，該目錄下的每一個子文件都對應一個目錄項。目錄項記錄了這個子文件的名字、名字長度和該子文件對應的inode節點所在位置，查找文件實際上就是從根節點開始遍歷目錄項的過程。
2.5B+樹
B+樹可以減少磁盤的訪問次數，提高文件的查找效率，文件系統一般都會採用B/B+樹來對文件數據進行管理。TpsFs內有兩種B+樹，一種是用於管理空閒塊的B+樹，它由空間管理inode進行管理，可以看做是一個大文件，其文件的inode是空間管理inode；另一種是用於管理普通文件空間的B+樹，它用於管理這個文件內的數據塊，即每一個普通文件都會對應一個B+樹來進行數據管理。通過該普通文件對應的inode可以查找到B+樹的根節點，進而可以實現整個B+樹的遍歷。
2.6事務
TpsFs採用事務提交機制，即每次進行寫操作（寫數據+寫元數據）時，會把各個步驟看做是一個個小事務，整體算一個大事務，TpsFs會把各個小事務先寫進日誌塊區域，日誌全部寫進成功之後，再把它寫進數據塊區域。
3、TpsFs整體佈局
由上一節可知，TpsFs的整體佈局由超級塊結構體描述，在TpsFs中，超級塊的一些常量定義如程序清單3- 1所示。
程序清單3- 1 超級塊常量
/************************************************************************** super block常量定義 **************************************************************************/ #define TPS_MIN_LOG_SIZE (512 * 1024) /* 最小日誌大小 */ #define TPS_SUPER_BLOCK_SECTOR 0 /* 超級快扇區號 */ #define TPS_SUPER_BLOCK_NUM 0 /* 超級塊號 */ #define TPS_SPACE_MNG_INUM 1 /* 空間管理inode號 */ #define TPS_ROOT_INUM 2 /* 根inode號 */ #define TPS_BPSTART_BLK 3 /* 塊緩衝起始 */ #define TPS_BPSTART_CNT 7 /* 塊緩衝塊數目 */ #define TPS_DATASTART_BLK 10 /* 數據塊起始 */ #define TPS_MIN_BLK_SIZE 4096 /* 最小塊大小限制 */
文件系統佈局是在磁盤分區格式化時建立的，格式化函數tpsFsFormat建立文件系統佈局的流程如程序清單2- 3所示。
程序清單3- 2 tpsFsFormat函數建立文件系統佈局
errno_t tpsFsFormat (PTPS_DEV pdev, UINT uiBlkSize)
{
...
/*
* 磁盤最小爲 4MB
*/
uiSctPerBlk = uiBlkSize / uiSectorSize;
uiTotalBlkCnt = pdev->DEV_SectorCnt(pdev) / uiSctPerBlk;
if (uiTotalBlkCnt < 1024) {
return (ENOSPC);
}
/*
* logsize爲磁盤的 1/16
*/
uiLogBlkCnt = uiTotalBlkCnt >> 4;
uiLogSize = uiLogBlkCnt * uiBlkSize;
if (uiLogSize < TPS_MIN_LOG_SIZE) {
uiLogSize = TPS_MIN_LOG_SIZE;
}
/*
* 結構體賦值
*/
psb = (PTPS_SUPER_BLOCK)TPS_ALLOC(sizeof(TPS_SUPER_BLOCK));
if (LW_NULL == psb) {
return (ENOMEM);
}
psb->SB_uiMagic = TPS_MAGIC_SUPER_BLOCK2;
psb->SB_uiVersion = TPS_CUR_VERSION;
psb->SB_ui64Generation = TPS_UTC_TIME();
psb->SB_uiSectorSize = uiSectorSize;
psb->SB_uiSectorShift = (UINT)archFindMsb((UINT32)uiSectorSize) - 1;
psb->SB_uiSectorMask = ((1 << psb->SB_uiSectorShift) - 1);
psb->SB_uiSecPerBlk = uiSctPerBlk;
psb->SB_uiBlkSize = uiBlkSize;
psb->SB_uiBlkShift = (UINT)archFindMsb((UINT32)psb->SB_uiBlkSize) - 1;
psb->SB_uiBlkMask = ((1 << psb->SB_uiBlkShift) - 1);
psb->SB_uiFlags = TPS_MOUNT_FLAG_READ | TPS_MOUNT_FLAG_WRITE;
psb->SB_ui64TotalBlkCnt = uiTotalBlkCnt;
psb->SB_ui64DataStartBlk = TPS_DATASTART_BLK;
psb->SB_ui64DataBlkCnt = uiTotalBlkCnt - TPS_DATASTART_BLK - uiLogBlkCnt;
psb->SB_ui64LogStartBlk = uiTotalBlkCnt - uiLogBlkCnt;
psb->SB_ui64LogBlkCnt = uiLogBlkCnt;
psb->SB_ui64BPStartBlk = TPS_BPSTART_BLK;
psb->SB_ui64BPBlkCnt = TPS_BPSTART_CNT;
psb->SB_inumSpaceMng = TPS_SPACE_MNG_INUM;
psb->SB_inumRoot = TPS_ROOT_INUM;
psb->SB_inumDeleted = 0;
psb->SB_pinodeOpenList = LW_NULL;
psb->SB_dev = pdev;
psb->SB_uiInodeOpenCnt = 0;
psb->SB_pinodeDeleted = LW_NULL;
psb->SB_pbp = LW_NULL;
...
}由程序清單3- 2可以看出，tpsFsFormat函數根據磁盤分區的扇區數量，塊大小以及超級塊常量來構建文件系統，格式化完成後，文件系統在磁盤分區內的佈局如圖3- 1所示。
圖3- 1 文件系統佈局
4、總結
本文主要介紹了TpsFs的整體框架，TpsFs的讀寫流程，事務提交，B+樹管理機制等將在後續文檔介紹。
5、參考資料
《SylixOS應用程序開發手冊》
SylixOS內核源碼