1，UBI（Unsorted Block Images）是 Linux 內核中為原始 Flash 設備提供的一種抽象層，位于 MTD（Memory Technology Device）和文件系統（如 UBIFS）之間。它負責壞塊管理、磨損均衡、邏輯卷管理和擦除計數等功能。下面我們將介紹如何在 Linux 環境下模擬實現一個簡化版的 UBI 文件系統。

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一、UBI 架構與設計思路

1. UBI 的核心功能

• 壞塊管理（Bad Block Handling）：識別并跳過壞塊。
• 磨損均衡（Wear Leveling）：動態分配擦除操作，延長 Flash 壽命。
• 邏輯卷管理（Volume Management）：將物理擦除塊映射為邏輯卷。
• 擦除計數（Erase Counting）：記錄每個擦除塊的擦除次數。

2. 模擬實現思路

• 使用文件模擬 Flash 存儲設備。
• 設計 UBI 層的數據結構，包括擦除塊信息、邏輯卷信息等。
• 實現核心功能：壞塊掃描、磨損均衡、邏輯卷讀寫。

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二、關鍵數據結構

1. 擦除塊信息（struct ubi_ec_hdr）

struct ubi_ec_hdr {uint32_t magic;      // UBI 魔數uint8_t version;     // UBI 版本uint8_t padding1[3];uint64_t ec;         // 擦除計數uint32_t vid_hdr_offset; // VID 頭偏移uint32_t data_offset;    // 數據偏移uint32_t image_seq;      // 鏡像序列號uint8_t padding2[32];
};

2. 邏輯卷信息（struct ubi_volume）

struct ubi_volume {int vol_id;          // 卷 IDint leb_count;       // 邏輯擦除塊數量int usable_leb_size; // 可用邏輯擦除塊大小char name[16];       // 卷名
};

3. UBI 設備信息（struct ubi_device）

struct ubi_device {FILE *flashfile;     // 模擬 Flash 的文件int peb_count;       // 物理擦除塊數量int peb_size;        // 物理擦除塊大小int leb_count;       // 邏輯擦除塊數量int leb_size;        // 邏輯擦除塊大小struct ubi_ec_hdr *ec_hdrs; // 擦除塊頭信息struct ubi_volume *volumes; // 邏輯卷信息
};

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三、核心功能實現

1. 初始化 UBI 設備

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; // 預留部分塊用于 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));// 初始化擦除塊頭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. 壞塊掃描

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);// 標記為壞塊ubi->ec_hdrs[i].ec = -1;}}return 0;
}

3. 磨損均衡

int ubi_wear_leveling(struct ubi_device *ubi) {// 找到擦除次數最小的塊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;}// 模擬擦除操作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. 邏輯卷讀寫

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; // 簡化映射：LEB 直接映射到 PEBfseek(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; // 簡化映射：LEB 直接映射到 PEBfseek(ubi->flashfile, peb * ubi->peb_size + ubi->ec_hdrs[peb].data_offset + offset, SEEK_SET);fwrite(buf, len, 1, ubi->flashfile);// 更新擦除計數ubi->ec_hdrs[peb].ec++;return 0;
}

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四、完整示例代碼