基于嵌入式LINUX系統(tǒng)的一種硬盤管理機(jī)制的研究與開發(fā)

鐘明輝　朱守元

摘 要：隨著嵌入式系統(tǒng)使用越來越廣泛，嵌入式系統(tǒng)越來越多地遇到大量數(shù)據(jù)保存的需求，而硬盤是大數(shù)據(jù)量保存的第一選擇，在這種情況下，硬盤的穩(wěn)定性及使用壽命就成為設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要要素。該文主要描述了一種對于在嵌入式Linux下使用ext3格式的硬盤的使用與維護(hù)機(jī)制，其關(guān)鍵在于結(jié)合了在實(shí)際使用過程中較常見的問題，然后相應(yīng)的給出了解決方法。通過添加這些硬盤處理機(jī)制，有效提升了硬盤的工作穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；Linux；硬盤維護(hù)；文件系統(tǒng)；ext3

中圖分類號：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 引言（Introduction）

1.1 硬盤保護(hù)機(jī)制研究的背景和意義

隨著嵌入式系統(tǒng)使用越來越廣泛，嵌入式系統(tǒng)越來越多的遇到大量數(shù)據(jù)保存的需求。硬盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的存儲(chǔ)設(shè)備之一，是大數(shù)據(jù)量保存的第一選擇。此時(shí)，硬盤的穩(wěn)定性及使用壽命就成為設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要要素。本文主要描述了一種對于在嵌入式Linux下使用ext3格式的硬盤的使用與維護(hù)機(jī)制。

1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式Linux操作系統(tǒng)是針對不同的應(yīng)用需求，對Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪修改使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般包含嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序四個(gè)部分[1]。

相比于通用電腦，嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面：（1）體積小，易于安放；（2）采用專用芯片，有更高的效率與可靠性；（3）豐富的外設(shè)接口；（4）可裁剪的軟件系統(tǒng)；（5）更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

1.1.2 硬盤的特性介紹

下面我們從兩個(gè)方面來介紹硬盤：硬盤的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)、硬盤分區(qū)介紹。

一、硬盤的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)

首先分析硬盤的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)，可以分為四部分：磁頭、磁道、扇區(qū)、柱面，下面分別介紹。

（1）磁頭：磁頭是硬盤讀取數(shù)據(jù)的重要部件，磁頭的主要作用是實(shí)現(xiàn)磁信息與電信號之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[2]。

（2）磁道：當(dāng)磁盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁頭若保持在一個(gè)位置上，則每個(gè)磁頭都會(huì)在磁盤表面劃出一個(gè)圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫做磁道[3]。

（3）扇區(qū)：將磁盤圓形的盤片劃分成若干個(gè)扇形區(qū)域，這就是扇區(qū)，磁盤驅(qū)動(dòng)器在向磁盤讀取和寫入數(shù)據(jù)時(shí)，要以扇區(qū)為單位。

（4）柱面：硬盤通常由重疊的一組盤片構(gòu)成，每個(gè)盤面都被劃分為同等數(shù)目的磁道，并從外向內(nèi)進(jìn)行編號，具有相同編號的磁道就形成一個(gè)圓柱，稱為磁盤的柱面。我們通常所說的硬盤的CHS參數(shù)，即Cylinder（柱面）、Head（磁頭）、Sector（扇區(qū)），只要知道了硬盤的CHS參數(shù)，就可以確定硬盤的容量。

二、硬盤分區(qū)介紹

硬盤分區(qū)是指對硬盤的物理存儲(chǔ)空間進(jìn)行邏輯劃分，將一個(gè)較大容量的硬盤分成多個(gè)大小不等的邏輯區(qū)間。將一個(gè)硬盤劃分出若干個(gè)分區(qū)，分區(qū)的數(shù)量和每一個(gè)分區(qū)的容量大小是由用戶根據(jù)自己的需要來設(shè)定的[4]。

硬盤分區(qū)的概念細(xì)分，又可以分為主引導(dǎo)分區(qū)（master boot recorder，MBR）、主分區(qū)、擴(kuò)展分區(qū)、邏輯分區(qū)。主引導(dǎo)分區(qū)就是指整個(gè)硬盤的信息區(qū)，主分區(qū)、擴(kuò)展分區(qū)、邏輯分區(qū)都是指實(shí)際文件數(shù)據(jù)放置的地方。

我們使用Linux下常用的ext3文件系統(tǒng)為例，來描述一個(gè)分區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。硬盤分區(qū)首先被劃分為一個(gè)個(gè)的塊（block）。這些塊被聚在一起分成幾個(gè)大的塊組（block group）。

每個(gè)塊組都相對應(yīng)一個(gè)組描述（group descriptor），這些組描述被聚在一起放在硬盤分區(qū)的開頭部分，跟在超級塊（super block）的后面[5]。

在塊組的組描述中，其中有一個(gè)塊指針指向這個(gè)塊組的塊位圖（block bit-map），塊位圖中的每個(gè)位表示一個(gè)塊。在塊組的組描述中另外有一個(gè)塊指針指向節(jié)點(diǎn)位圖（inode bitmap），里面的每一個(gè)位相對應(yīng)一個(gè)文件節(jié)點(diǎn)。在塊組的描述中還有一個(gè)重要的塊指針，是指向節(jié)點(diǎn)表。這個(gè)節(jié)點(diǎn)表就是這個(gè)塊組中所聚集到的全部節(jié)點(diǎn)放在一起形成的。

一個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)中記載的最關(guān)鍵的信息，是這個(gè)節(jié)點(diǎn)中的用戶數(shù)據(jù)存放在什么地方。用戶文件的內(nèi)容存放在什么地方，這就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)包含的信息。ext3文件系統(tǒng)的硬盤布局圖，如圖1所示。

1.1.3 保護(hù)機(jī)制的必要性

硬件都存在一個(gè)使用壽命的問題，硬盤也是如此。

硬盤對于環(huán)境有較高的要求，振動(dòng)、溫度、灰塵都對硬盤的使用壽命有嚴(yán)重影響。特別是在操作硬盤的過程中，突然斷電，極有可能損壞硬盤。另外，對硬盤不正確的操作，例如，過于頻繁的讀寫硬盤，沒有設(shè)置正確的硬盤工作模式，也會(huì)影響硬盤的使用期限。

所以，在硬盤的使用過程中，有一些需要注意的事項(xiàng)，這也就是我們要進(jìn)一步說明的硬盤的保護(hù)機(jī)制，本文主要是針對軟件方面的維護(hù)機(jī)制進(jìn)行描述。

1.2 本文的主要內(nèi)容和安排

本課題的研發(fā)目標(biāo)是開發(fā)出對嵌入式系統(tǒng)下硬盤的保護(hù)機(jī)制，通過多層次的保護(hù)，提升硬盤使用壽命，提供存儲(chǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 硬盤問題類型介紹（Introduction of problem of hard disk）

硬盤在使用過程中，由于使用環(huán)境、使用過于頻繁或使用方式不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)多種問題。

下面，我們先了解一下硬盤在Linux系統(tǒng)下是如何使用的，然后詳細(xì)描述硬盤使用過程中的常見問題。

2.1 Linux下硬盤加載使用過程

Linux下硬盤加載使用過程，大體上可以分為四部分：識(shí)別硬盤、分區(qū)管理、建立文件系統(tǒng)、讀寫文件。

2.1.1 Linux系統(tǒng)識(shí)別硬盤endprint

系統(tǒng)初始時(shí)根據(jù)MBR的信息來識(shí)別硬盤，其中包括了一些執(zhí)行文件用來載入系統(tǒng)。在分區(qū)表中，主要儲(chǔ)存了以下信息：分區(qū)號、分區(qū)的起始磁柱、磁柱的總數(shù)。所以在系統(tǒng)初始化時(shí)，就根據(jù)分區(qū)表中的這三項(xiàng)信息來識(shí)別硬盤。

2.1.2 硬盤分區(qū)管理

要對硬盤進(jìn)行分區(qū)管理與維護(hù)，首先需要有一個(gè)分區(qū)方案。如今的硬盤基本上都在200GB以上，如果將這樣的海量硬盤只分一個(gè)區(qū)或者分成很多個(gè)小區(qū)，在一定程度上都會(huì)影響硬盤的易用性和性能。不同的用戶有不同的實(shí)際需要，分區(qū)方案也各不相同。

2.1.3 建立文件系統(tǒng)

我們剛建立的分區(qū)，還不能直接用來存放資料，必須先對這個(gè)分區(qū)做格式化的工作，格式化就是將分區(qū)劃分成一格一格的塊，而每個(gè)塊就是文件系統(tǒng)存取資料的最小單位，所以才可以將資料存放在這些塊中。多個(gè)塊會(huì)組成一個(gè)組；除了啟動(dòng)扇區(qū)之外，第一個(gè)塊稱為超級塊。在超級塊中包含了磁盤的信息，例如塊的大小、片斷大小、塊組數(shù)、每個(gè)塊組包含的塊數(shù)、每組節(jié)點(diǎn)數(shù)、總字節(jié)數(shù)和總塊數(shù)等[6]。一個(gè)分區(qū)就是由超級塊及多個(gè)塊組構(gòu)成。

2.1.4 讀寫文件

最常見的文件操作是讀、寫，另外還有一些文件屬性相關(guān)訪問，例如文件相關(guān)信息，例如目錄、訪問時(shí)間、文件大小等信息的查詢與修改等。

對文件的讀寫，基本上是依據(jù)文件系統(tǒng)格式，進(jìn)行相應(yīng)規(guī)則下的操作，與具體的文件格式相關(guān)，不同文件系統(tǒng)格式的操作，會(huì)有很大差異。然而，對于用戶而言，卻不必關(guān)心具體操作系統(tǒng)如何操作硬盤，只需要依據(jù)系統(tǒng)提供的通用的文件訪問方式，進(jìn)行操作即可。

2.2 硬盤常見問題

在硬盤使用過程中，有如下常見問題：訪問失敗、分區(qū)掛載失敗、找不到硬盤分區(qū)、探測不到硬盤、硬盤物理損壞，下面分別進(jìn)行介紹。

2.2.1 訪問失敗

訪問失敗，這是最為常見的硬盤訪問問題，也是修復(fù)可能性相對比較高的問題。按訪問失敗的類型來劃分，包括五種情況：（1）創(chuàng)建文件失?。唬?）打開文件失?。唬?）打開目錄失?。唬?）讀文件失??；（5）寫文件失敗。

可能導(dǎo)致訪問失敗的原因，大體上可以分為沒有硬盤分區(qū)的訪問權(quán)限，文件路徑不存在，磁盤分區(qū)已滿，硬盤損壞等。

2.2.2 分區(qū)掛載失敗

在訪問硬盤分區(qū)之前，需要先掛載分區(qū)到文件系統(tǒng)，在Linux下，是使用mount命令，mount命令的作用是加載文件系統(tǒng)[7]，映射到相應(yīng)的掛載點(diǎn)上去。在某些情況下，掛載會(huì)出現(xiàn)失敗。

2.2.3 找不到硬盤分區(qū)

在掛載硬盤分區(qū)之前，需要先找到硬盤分區(qū)。在Linux下，硬盤分區(qū)的存在路徑，第一個(gè)硬盤對應(yīng)的設(shè)備名稱為/dev/hda，第一個(gè)硬盤的分區(qū)對應(yīng)設(shè)備名稱通常為/dev/hdax（x為分區(qū)號）。若分區(qū)本身有問題，就可能導(dǎo)致找不到相應(yīng)設(shè)備名稱了。

2.2.4 探測不到硬盤

在Linux系統(tǒng)啟動(dòng)過程中，會(huì)進(jìn)行硬盤的探測。IDE接口的探測流程如下：

（1）先加載通用的IDE驅(qū)動(dòng)程序。

（2）初始化IDE的控制器，IDE控制芯片驅(qū)動(dòng)加載后，進(jìn)行初始化傳輸模式。

（3）接著使用IDE控制器查找連接在IDE接口上的設(shè)備，如果檢查到硬盤則加載IDE硬盤的驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)置該硬盤的基本參數(shù)。

這里每一步出錯(cuò)，都會(huì)導(dǎo)致探測不到硬盤。

2.2.5 硬盤物理損壞

最嚴(yán)重的硬盤問題，是硬盤物理損壞。

物理硬盤損壞是指硬盤本身的構(gòu)成器件損壞，如盤片、磁頭、控制電路等，最大的特點(diǎn)是硬盤有咔嗒咔嗒的響聲或者根本就不轉(zhuǎn)了，并且不能讀盤或者是根本就在計(jì)算機(jī)上查找不到硬盤。

對于物理損壞，就不是軟件上可以解決的了，只能是通過專業(yè)硬件維修人員來維修。

3 硬盤維護(hù)機(jī)制（Maintenance mechanism of hard disk）

由于硬盤本身的工作機(jī)理，同時(shí)嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常工作于極其不同的環(huán)境下，就會(huì)導(dǎo)致在使用過程種，不可避免會(huì)出現(xiàn)一些問題。那么，我們就可以根據(jù)這些可能出現(xiàn)的問題，提前進(jìn)行預(yù)防，對于已經(jīng)出現(xiàn)的問題，預(yù)先提供處理機(jī)制，或進(jìn)行修復(fù)處理。

下面介紹本課題采用的硬盤保護(hù)的方式，然后具體描述硬盤維護(hù)機(jī)制的軟件架構(gòu)。

3.1 硬盤保護(hù)方式

硬盤保護(hù)方式與我們使用硬盤的方式及硬盤運(yùn)行環(huán)境有著密切的關(guān)系。我們考慮的嵌入式系統(tǒng)，其啟動(dòng)程序存儲(chǔ)于flash上，大量數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)于硬盤里面。在有數(shù)據(jù)寫入時(shí)，啟動(dòng)硬盤進(jìn)行寫入，在查詢讀出時(shí)進(jìn)行讀硬盤，其他時(shí)候，不對硬盤進(jìn)行操作。雖然出于對系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，沒有使用硬盤作為系統(tǒng)啟動(dòng)部分，但是本文下面描述的方法，大部分也同樣適用于使用硬盤做啟動(dòng)存儲(chǔ)的系統(tǒng)。

3.1.1 選擇恰當(dāng)?shù)挠脖P工作模式

硬盤的工作模式，由于考慮到節(jié)電、延長壽命，各硬盤廠家都提供了多種工作模式，這些工作模式有所不同，不過大體上，可以分為空閑模式和睡眠模式。

空閑模式，就是在硬盤不工作的時(shí)候，由于沒有進(jìn)行讀寫操作，相比較讀寫時(shí)，功耗有所降低。這種模式下，硬盤電機(jī)仍然在轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)需要再次開始工作時(shí)，可以快速恢復(fù)工作。

睡眠模式是一種節(jié)能狀態(tài)。進(jìn)入睡眠模式，實(shí)際上就是磁頭停放在啟停區(qū)，然后讓硬盤電機(jī)停轉(zhuǎn)，由于電機(jī)是硬盤耗電的主要部分，停止電機(jī)能讓整個(gè)硬盤的功耗大幅度降低。

3.1.2 減少訪問硬盤的頻率

對硬盤過于頻繁的訪問也會(huì)影響硬盤的壽命，這里說的訪問，不僅僅是寫文件、讀文件，還包括對文件的打開與關(guān)閉，對硬盤容量、目錄內(nèi)容等的查詢，對目錄的操作，對文件屬性的更改等。

減少硬盤訪問的技巧，主要是要進(jìn)行整體的梳理硬盤訪問相關(guān)代碼，去掉不必要的訪問，優(yōu)化訪問流程。要盡量減少不必要的打開關(guān)閉操作，對于硬盤上的文件，最好是能做到只打開一次，然后進(jìn)行讀寫操作，在所有操作完成后進(jìn)行一次性關(guān)閉。只在必要的時(shí)候，才查詢硬盤容量、目錄內(nèi)容等。endprint

還有很重要的一點(diǎn)，就是盡量不要使用無緩沖寫文件模式。在Linux系統(tǒng)下，向硬盤寫入的數(shù)據(jù)，是暫存在系統(tǒng)緩沖中的，這樣是為了減少請求寫硬盤的次數(shù)并改進(jìn)程序的性能。只有在緩沖已經(jīng)寫滿或者一段時(shí)間后，系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行一次刷新，此時(shí)才真正寫入硬盤。延遲寫減少了磁盤讀寫次數(shù)，但是卻降低了文件內(nèi)容的更新速度，使得欲寫到文件中的數(shù)據(jù)在一段時(shí)間內(nèi)并沒有寫到磁盤上[8]。對于某些關(guān)鍵的不能丟失的文件，需要設(shè)置寫硬盤的方式為無緩沖模式，即一旦發(fā)出寫命令，就阻塞等待真正的寫入硬盤完成才返回。除了那些特別關(guān)鍵不能丟失的文件之外，其他的文件，最好是不要使用無緩沖模式，因?yàn)闊o緩沖模式也會(huì)大幅增加對硬盤的實(shí)際操作次數(shù)。

3.1.3 修復(fù)硬盤分區(qū)信息

雖然上面我們已經(jīng)做了多方面的預(yù)防措施，但是由于實(shí)際工作環(huán)境的各不相同，還是有可能導(dǎo)致硬盤的異常，所以我們還需要考慮，在硬盤確實(shí)遇到異常之后，如何恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。

分區(qū)掛載失敗，是我們比較常見的問題之一，那么，我們掛載硬盤分區(qū)失敗后，是否就沒有方法恢復(fù)里面的數(shù)據(jù)了呢？

答案是有可能恢復(fù)的！

這里我們先了解一下數(shù)據(jù)的存放方式，要使用硬盤等介質(zhì)上的數(shù)據(jù)文件，通常需要依靠操作系統(tǒng)所提供的文件系統(tǒng)功能，文件系統(tǒng)維護(hù)著存儲(chǔ)介質(zhì)上所有文件的索引[9]。因?yàn)樾实戎T多方面的考慮，在我們利用操作系統(tǒng)提供的指令刪除數(shù)據(jù)文件或進(jìn)行格式化操作的時(shí)候，磁介質(zhì)上的磁粒子極性并不會(huì)被清除，操作系統(tǒng)只是對文件系統(tǒng)的索引部分進(jìn)行了修改。正是操作系統(tǒng)這樣處理存儲(chǔ)的方式，為我們進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)提供了可能。

下面我們分析一下硬盤分區(qū)掛載的過程，對于Linux系統(tǒng)，掛載就是采用mount命令，mount把現(xiàn)有的文件樹中的一個(gè)目錄映射為新加入的文件系統(tǒng)的根[10]。對于一個(gè)設(shè)備，例如我們的硬盤分區(qū)，它本身是已經(jīng)指定了文件系統(tǒng)格式的，是ext3格式，而根文件系統(tǒng)，不一定與設(shè)備文件系統(tǒng)格式一致，例如，在flash上比較常見的文件系統(tǒng)如jffs2、yaffs2等。Linux系統(tǒng)如何管理不同的文件系統(tǒng)，是內(nèi)核里面的事情，我們只需要知道是哪個(gè)目錄對應(yīng)于我們的設(shè)備就行了。

讓我們關(guān)注一下mount的操作過程，mount的過程就是把設(shè)備的文件系統(tǒng)加入到linux的虛擬文件系統(tǒng)vfs框架中，主要分三個(gè)步驟：

（1）首先，要mount一個(gè)新的設(shè)備，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的超級塊（super block）。這通過要mount的文件系統(tǒng)的文件系統(tǒng)類型，例如我們的ext3來調(diào)用相關(guān)函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的super block。

（2）對于任何一個(gè)準(zhǔn)備mount的文件系統(tǒng)，都要有一個(gè)虛擬文件系統(tǒng)的掛載點(diǎn)（vfsmount）， 創(chuàng)建這個(gè)vfsmount，并設(shè)置好其屬性。當(dāng)文件系統(tǒng)被實(shí)際安裝時(shí)，將有一個(gè)vfsmount結(jié)構(gòu)體在安裝點(diǎn)被創(chuàng)建[11]。

（3）將創(chuàng)建好的vfsmount加入到系統(tǒng)中。

由上面的mount過程可知，在Linux系統(tǒng)本身運(yùn)行正常的情況下，掛載的成功與否，很大程度上與分區(qū)的超級塊信息相關(guān)。而硬盤分區(qū)的超級塊信息基本上就是直接來源于分區(qū)表信息，所以我們首先關(guān)注的就是分區(qū)表的修復(fù)。

當(dāng)然，Linux系統(tǒng)已經(jīng)提供了修復(fù)硬盤的工具：fsck。但是在嵌入式系統(tǒng)實(shí)際使用過程中，我們卻遇到了問題：內(nèi)存不夠用！原來是fsck在修復(fù)過程中，會(huì)占用較多的內(nèi)存，特別是在分區(qū)較大的情況下，對內(nèi)存的要求是非常高的，而嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存，通常都是按照需求配備，不會(huì)留下很多的空閑內(nèi)存。

下面，介紹我們的應(yīng)對策略：

首先，硬盤分區(qū)正常的情況下，備份硬盤分區(qū)信息。通常，這個(gè)信息量不大。

其次，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，檢查硬盤加載情況，若是有設(shè)備存在，而且mount失敗，則極有可能是分區(qū)信息損壞，然后就進(jìn)行硬盤分區(qū)信息的修復(fù)。

這個(gè)策略的主體部分，是進(jìn)行硬盤分區(qū)信息的修復(fù)，其中又要分步驟描述：

（1）首先，讀取硬盤備份信息，獲取硬盤分區(qū)基本信息。

（2）然后讀取每個(gè)硬盤分區(qū)的塊使用情況、節(jié)點(diǎn)使用情況，更新到備份分區(qū)信息里。

（3）使用更新后的備份分區(qū)信息，替換掉硬盤里損壞的分區(qū)信息。

（4）最后，重新mount該分區(qū)。

這樣一個(gè)過程，內(nèi)存使用是非常有限的，完全能實(shí)現(xiàn)使用較小的內(nèi)存實(shí)現(xiàn)分區(qū)表的修復(fù)工作。

3.1.4 修復(fù)日志信息

掛載過程失敗的原因，也有可能是由于ext3文件系統(tǒng)的日志部分損壞。由于具體到日志的更新機(jī)制，比較復(fù)雜，本文不進(jìn)行討論，此處的修復(fù)機(jī)制，是從應(yīng)用層面上來說的，使用比較簡單的操作來嘗試修復(fù)ext3文件系統(tǒng)的日志部分。

如此操作之后，若之前存在因?yàn)槿罩疚募惓６L問ext3格式的硬盤異常，會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)換到ext2格式，而清理掉了所有日志信息，在再次轉(zhuǎn)換到ext3格式時(shí)，建立了一個(gè)新的日志信息，這樣就解決了日志信息異常的問題了。

3.1.5 修復(fù)只讀文件系統(tǒng)

對于ext3文件系統(tǒng)格式，有時(shí)會(huì)由于硬盤分區(qū)信息的異常，在系統(tǒng)啟動(dòng)后，將分區(qū)設(shè)置為只讀模式。此時(shí)，若判斷的程序中，沒有考慮到，會(huì)導(dǎo)致寫硬盤操作異常。

其實(shí)導(dǎo)致只讀文件系統(tǒng)，通常就是分區(qū)信息異常導(dǎo)致的問題。在這里特意提出來，就是在實(shí)際使用過程中，極有可能忽略此問題，往往在發(fā)現(xiàn)讀取硬盤狀態(tài)成功后，就以為對硬盤的訪問都是正常的了，而在后續(xù)的使用過程中，卻遇到寫失敗的錯(cuò)誤。

所以，在我們注意到這個(gè)問題之后，解決問題也是比較簡單的，就是在判斷文件系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)，添加一個(gè)寫操作，如果寫操作成功了，則此分區(qū)就是可寫的，若寫操作失敗了，就是只讀文件系統(tǒng)了。遇到只讀文件系統(tǒng)的處理，也是修改硬盤分區(qū)信息，前面已經(jīng)說過了，就不再贅述。endprint

3.1.6 格式化

3.1.7 動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同容量的硬盤

設(shè)計(jì)硬盤使用機(jī)制時(shí)，是必須要考慮到對不同容量的支持的，有三個(gè)原因。

（1）在市面上存在著多種容量的硬盤，嵌入式產(chǎn)品的使用場景比較復(fù)雜，需要支持市面上不同容量的硬盤。

（2）在現(xiàn)場使用過程中，用戶可能需要即時(shí)更換硬盤，此時(shí)可能導(dǎo)入不同容量的硬盤，此時(shí)就需要系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同容量的硬盤。

（3）我們還要看到將來硬盤存儲(chǔ)容量的變化：硬盤的存儲(chǔ)容量每年都在增長，其增長速度基本符合摩爾定律，大約每5年就能提高至10倍，我們必須提前考慮到對可預(yù)見的將來會(huì)出現(xiàn)的新的大容量硬盤的支持。

由于以上的幾個(gè)原因，所以我們需要在硬盤維護(hù)機(jī)制中添加對不同硬盤容量的支持。只有充分考慮到可能會(huì)發(fā)生的變化，我們的系統(tǒng)才能是比較穩(wěn)定的。

3.1.8 動(dòng)態(tài)切換分區(qū)

考慮到可能會(huì)遇到修復(fù)分區(qū)信息也不能修復(fù)的分區(qū)的情況，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)分區(qū)被格式化的情況，這里，我們就需要考慮到若分區(qū)的損壞，我們?nèi)绾螌p失減少的問題。

若是整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)分區(qū)，則發(fā)生這種情況，一旦格式化，就是整個(gè)硬盤的數(shù)據(jù)都丟失了。所以，可以考慮將一個(gè)硬盤分為幾個(gè)區(qū)，這樣，就將數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)降低了。使用多個(gè)分區(qū)，就帶來了一個(gè)新的需求：分區(qū)切換。在當(dāng)前使用硬盤分區(qū)將滿之前，預(yù)先進(jìn)行分區(qū)切換。另外要考慮的一點(diǎn)是，當(dāng)遇到一個(gè)分區(qū)不能進(jìn)行正常訪問時(shí)，也需要進(jìn)行分區(qū)切換。

3.2 硬盤維護(hù)軟件架構(gòu)

將上面提出的多種硬盤處理方式進(jìn)行綜合，就構(gòu)成了我們的硬盤維護(hù)軟件的主框架，硬盤維護(hù)軟件的主流程如圖2所示。

通過以上硬盤維護(hù)軟件框架，可以實(shí)現(xiàn)對硬盤的狀態(tài)判斷，在遇到異常時(shí)進(jìn)行各種異常處理，并能支持分區(qū)的動(dòng)態(tài)切換等功能。

4 測試結(jié)果（Test results）

對于硬盤工作穩(wěn)定性的測試，我們首先是讓系統(tǒng)工作一段時(shí)間，然后查看系統(tǒng)整體是否正常運(yùn)行，然后跟蹤硬盤是否出現(xiàn)異常情況。通過三個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行情況，對比是否啟用硬盤維護(hù)方式的系統(tǒng)，測試結(jié)果見表1。

測試結(jié)果分析：在對分區(qū)的統(tǒng)計(jì)中，使用了硬盤維護(hù)機(jī)制的系統(tǒng)只出現(xiàn)了一次分區(qū)的異常，其異常情況相比較未啟用硬盤維護(hù)機(jī)制的系統(tǒng)減小到之前的25%。從總體運(yùn)行情況上看，啟用硬盤維護(hù)機(jī)制的系統(tǒng)發(fā)生的異常明顯減少。測試結(jié)果清楚的顯示了使用硬盤維護(hù)機(jī)制之后的硬盤，其工作穩(wěn)定性得到了極大的提高。

5 結(jié)論（Conclusion）

本課題是從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，研究并開發(fā)了一套硬盤維護(hù)機(jī)制，提升嵌入式系統(tǒng)下硬盤的工作穩(wěn)定性。經(jīng)過一年多的開發(fā)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

本文先描述了硬盤的概念，及在Linux下使用過程中比較常見的問題，然后給出了相應(yīng)的一些解決方法，并具體描述了硬盤維護(hù)的幾個(gè)方面，通過這幾個(gè)方面對硬盤進(jìn)行的管理與維護(hù)，有效的提升了硬盤的工作穩(wěn)定性。

由于硬盤的使用范圍非常廣泛，硬盤廠家眾多，且硬盤新技術(shù)也在不斷開發(fā)中，所以在硬盤穩(wěn)定性這方面的研究還有非常大的空間，是一個(gè)可以持續(xù)研究的大課題。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 孫紀(jì)坤，張小全.嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解—基于ARM[M].北京：人民郵電出版社，2006：2-4.

[2] 謝霞玲，滕先偉.硬盤維修從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：6-7.

[3] 硬盤-百科名片[Z].http：//baike.baidu.com/view/4480.htm.

[4] 趙彪.硬盤分區(qū)與故障排解速查手冊[J].電腦報(bào)，2006，06（7）：29-31.

[5] 趙蔚.Ext2 文件系統(tǒng)的硬盤布局[Z].http：//www.ibm.com/developerworks/cn/linux/filesystem/ext2/index.html.

[6] 陶利軍.Linux系統(tǒng)文件安全實(shí)戰(zhàn)全攻略[M].北京：人民郵電出版社，2011，（10）：70-75.

[7] 曹江華，方建國.Linux核心應(yīng)用命令速查[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010，（08）：213-215.

[8] [美]W.Richard Stevens，Stephen A.Rago.UNIX環(huán)境高級編程（第二版）[M].北京：人民郵電出版社，2006，（05）：87-88.

[9] 李曉中，喬晗，馬鑫.數(shù)據(jù)恢復(fù)原理與實(shí)踐[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011，（05）：16-18.

[10] Evi Nemeth，Garth Snyder，Trent R.Hein[美].Linux系統(tǒng)管理技術(shù)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008：65-67.

[11] Robert Love[美].Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：230-232.

作者簡介：

鐘明輝（1977-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：嵌入式Linux軟件設(shè)計(jì).

朱守元（1981-），女，?？?，設(shè)計(jì)師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖像設(shè)計(jì).endprint

3.1.6 格式化

3.1.7 動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同容量的硬盤

設(shè)計(jì)硬盤使用機(jī)制時(shí)，是必須要考慮到對不同容量的支持的，有三個(gè)原因。

（1）在市面上存在著多種容量的硬盤，嵌入式產(chǎn)品的使用場景比較復(fù)雜，需要支持市面上不同容量的硬盤。

（2）在現(xiàn)場使用過程中，用戶可能需要即時(shí)更換硬盤，此時(shí)可能導(dǎo)入不同容量的硬盤，此時(shí)就需要系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同容量的硬盤。

（3）我們還要看到將來硬盤存儲(chǔ)容量的變化：硬盤的存儲(chǔ)容量每年都在增長，其增長速度基本符合摩爾定律，大約每5年就能提高至10倍，我們必須提前考慮到對可預(yù)見的將來會(huì)出現(xiàn)的新的大容量硬盤的支持。

由于以上的幾個(gè)原因，所以我們需要在硬盤維護(hù)機(jī)制中添加對不同硬盤容量的支持。只有充分考慮到可能會(huì)發(fā)生的變化，我們的系統(tǒng)才能是比較穩(wěn)定的。

3.1.8 動(dòng)態(tài)切換分區(qū)

考慮到可能會(huì)遇到修復(fù)分區(qū)信息也不能修復(fù)的分區(qū)的情況，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)分區(qū)被格式化的情況，這里，我們就需要考慮到若分區(qū)的損壞，我們?nèi)绾螌p失減少的問題。

若是整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)分區(qū)，則發(fā)生這種情況，一旦格式化，就是整個(gè)硬盤的數(shù)據(jù)都丟失了。所以，可以考慮將一個(gè)硬盤分為幾個(gè)區(qū)，這樣，就將數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)降低了。使用多個(gè)分區(qū)，就帶來了一個(gè)新的需求：分區(qū)切換。在當(dāng)前使用硬盤分區(qū)將滿之前，預(yù)先進(jìn)行分區(qū)切換。另外要考慮的一點(diǎn)是，當(dāng)遇到一個(gè)分區(qū)不能進(jìn)行正常訪問時(shí)，也需要進(jìn)行分區(qū)切換。

3.2 硬盤維護(hù)軟件架構(gòu)

將上面提出的多種硬盤處理方式進(jìn)行綜合，就構(gòu)成了我們的硬盤維護(hù)軟件的主框架，硬盤維護(hù)軟件的主流程如圖2所示。

通過以上硬盤維護(hù)軟件框架，可以實(shí)現(xiàn)對硬盤的狀態(tài)判斷，在遇到異常時(shí)進(jìn)行各種異常處理，并能支持分區(qū)的動(dòng)態(tài)切換等功能。

4 測試結(jié)果（Test results）

對于硬盤工作穩(wěn)定性的測試，我們首先是讓系統(tǒng)工作一段時(shí)間，然后查看系統(tǒng)整體是否正常運(yùn)行，然后跟蹤硬盤是否出現(xiàn)異常情況。通過三個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行情況，對比是否啟用硬盤維護(hù)方式的系統(tǒng)，測試結(jié)果見表1。

測試結(jié)果分析：在對分區(qū)的統(tǒng)計(jì)中，使用了硬盤維護(hù)機(jī)制的系統(tǒng)只出現(xiàn)了一次分區(qū)的異常，其異常情況相比較未啟用硬盤維護(hù)機(jī)制的系統(tǒng)減小到之前的25%。從總體運(yùn)行情況上看，啟用硬盤維護(hù)機(jī)制的系統(tǒng)發(fā)生的異常明顯減少。測試結(jié)果清楚的顯示了使用硬盤維護(hù)機(jī)制之后的硬盤，其工作穩(wěn)定性得到了極大的提高。

5 結(jié)論（Conclusion）

本課題是從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，研究并開發(fā)了一套硬盤維護(hù)機(jī)制，提升嵌入式系統(tǒng)下硬盤的工作穩(wěn)定性。經(jīng)過一年多的開發(fā)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

本文先描述了硬盤的概念，及在Linux下使用過程中比較常見的問題，然后給出了相應(yīng)的一些解決方法，并具體描述了硬盤維護(hù)的幾個(gè)方面，通過這幾個(gè)方面對硬盤進(jìn)行的管理與維護(hù)，有效的提升了硬盤的工作穩(wěn)定性。

由于硬盤的使用范圍非常廣泛，硬盤廠家眾多，且硬盤新技術(shù)也在不斷開發(fā)中，所以在硬盤穩(wěn)定性這方面的研究還有非常大的空間，是一個(gè)可以持續(xù)研究的大課題。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 孫紀(jì)坤，張小全.嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解—基于ARM[M].北京：人民郵電出版社，2006：2-4.

[2] 謝霞玲，滕先偉.硬盤維修從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：6-7.

[3] 硬盤-百科名片[Z].http：//baike.baidu.com/view/4480.htm.

[4] 趙彪.硬盤分區(qū)與故障排解速查手冊[J].電腦報(bào)，2006，06（7）：29-31.

[5] 趙蔚.Ext2 文件系統(tǒng)的硬盤布局[Z].http：//www.ibm.com/developerworks/cn/linux/filesystem/ext2/index.html.

[6] 陶利軍.Linux系統(tǒng)文件安全實(shí)戰(zhàn)全攻略[M].北京：人民郵電出版社，2011，（10）：70-75.

[7] 曹江華，方建國.Linux核心應(yīng)用命令速查[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010，（08）：213-215.

[8] [美]W.Richard Stevens，Stephen A.Rago.UNIX環(huán)境高級編程（第二版）[M].北京：人民郵電出版社，2006，（05）：87-88.

[9] 李曉中，喬晗，馬鑫.數(shù)據(jù)恢復(fù)原理與實(shí)踐[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011，（05）：16-18.

[10] Evi Nemeth，Garth Snyder，Trent R.Hein[美].Linux系統(tǒng)管理技術(shù)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008：65-67.

[11] Robert Love[美].Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：230-232.

作者簡介：

鐘明輝（1977-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：嵌入式Linux軟件設(shè)計(jì).

朱守元（1981-），女，?？?，設(shè)計(jì)師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖像設(shè)計(jì).endprint

3.1.6 格式化

3.1.7 動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同容量的硬盤

設(shè)計(jì)硬盤使用機(jī)制時(shí)，是必須要考慮到對不同容量的支持的，有三個(gè)原因。

（1）在市面上存在著多種容量的硬盤，嵌入式產(chǎn)品的使用場景比較復(fù)雜，需要支持市面上不同容量的硬盤。

（2）在現(xiàn)場使用過程中，用戶可能需要即時(shí)更換硬盤，此時(shí)可能導(dǎo)入不同容量的硬盤，此時(shí)就需要系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同容量的硬盤。

（3）我們還要看到將來硬盤存儲(chǔ)容量的變化：硬盤的存儲(chǔ)容量每年都在增長，其增長速度基本符合摩爾定律，大約每5年就能提高至10倍，我們必須提前考慮到對可預(yù)見的將來會(huì)出現(xiàn)的新的大容量硬盤的支持。

由于以上的幾個(gè)原因，所以我們需要在硬盤維護(hù)機(jī)制中添加對不同硬盤容量的支持。只有充分考慮到可能會(huì)發(fā)生的變化，我們的系統(tǒng)才能是比較穩(wěn)定的。

3.1.8 動(dòng)態(tài)切換分區(qū)

考慮到可能會(huì)遇到修復(fù)分區(qū)信息也不能修復(fù)的分區(qū)的情況，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)分區(qū)被格式化的情況，這里，我們就需要考慮到若分區(qū)的損壞，我們?nèi)绾螌p失減少的問題。

若是整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)分區(qū)，則發(fā)生這種情況，一旦格式化，就是整個(gè)硬盤的數(shù)據(jù)都丟失了。所以，可以考慮將一個(gè)硬盤分為幾個(gè)區(qū)，這樣，就將數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)降低了。使用多個(gè)分區(qū)，就帶來了一個(gè)新的需求：分區(qū)切換。在當(dāng)前使用硬盤分區(qū)將滿之前，預(yù)先進(jìn)行分區(qū)切換。另外要考慮的一點(diǎn)是，當(dāng)遇到一個(gè)分區(qū)不能進(jìn)行正常訪問時(shí)，也需要進(jìn)行分區(qū)切換。

3.2 硬盤維護(hù)軟件架構(gòu)

將上面提出的多種硬盤處理方式進(jìn)行綜合，就構(gòu)成了我們的硬盤維護(hù)軟件的主框架，硬盤維護(hù)軟件的主流程如圖2所示。

通過以上硬盤維護(hù)軟件框架，可以實(shí)現(xiàn)對硬盤的狀態(tài)判斷，在遇到異常時(shí)進(jìn)行各種異常處理，并能支持分區(qū)的動(dòng)態(tài)切換等功能。

4 測試結(jié)果（Test results）

對于硬盤工作穩(wěn)定性的測試，我們首先是讓系統(tǒng)工作一段時(shí)間，然后查看系統(tǒng)整體是否正常運(yùn)行，然后跟蹤硬盤是否出現(xiàn)異常情況。通過三個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行情況，對比是否啟用硬盤維護(hù)方式的系統(tǒng)，測試結(jié)果見表1。

測試結(jié)果分析：在對分區(qū)的統(tǒng)計(jì)中，使用了硬盤維護(hù)機(jī)制的系統(tǒng)只出現(xiàn)了一次分區(qū)的異常，其異常情況相比較未啟用硬盤維護(hù)機(jī)制的系統(tǒng)減小到之前的25%。從總體運(yùn)行情況上看，啟用硬盤維護(hù)機(jī)制的系統(tǒng)發(fā)生的異常明顯減少。測試結(jié)果清楚的顯示了使用硬盤維護(hù)機(jī)制之后的硬盤，其工作穩(wěn)定性得到了極大的提高。

5 結(jié)論（Conclusion）

本課題是從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，研究并開發(fā)了一套硬盤維護(hù)機(jī)制，提升嵌入式系統(tǒng)下硬盤的工作穩(wěn)定性。經(jīng)過一年多的開發(fā)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

本文先描述了硬盤的概念，及在Linux下使用過程中比較常見的問題，然后給出了相應(yīng)的一些解決方法，并具體描述了硬盤維護(hù)的幾個(gè)方面，通過這幾個(gè)方面對硬盤進(jìn)行的管理與維護(hù)，有效的提升了硬盤的工作穩(wěn)定性。

由于硬盤的使用范圍非常廣泛，硬盤廠家眾多，且硬盤新技術(shù)也在不斷開發(fā)中，所以在硬盤穩(wěn)定性這方面的研究還有非常大的空間，是一個(gè)可以持續(xù)研究的大課題。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 孫紀(jì)坤，張小全.嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解—基于ARM[M].北京：人民郵電出版社，2006：2-4.

[2] 謝霞玲，滕先偉.硬盤維修從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：6-7.

[3] 硬盤-百科名片[Z].http：//baike.baidu.com/view/4480.htm.

[4] 趙彪.硬盤分區(qū)與故障排解速查手冊[J].電腦報(bào)，2006，06（7）：29-31.

[5] 趙蔚.Ext2 文件系統(tǒng)的硬盤布局[Z].http：//www.ibm.com/developerworks/cn/linux/filesystem/ext2/index.html.

[6] 陶利軍.Linux系統(tǒng)文件安全實(shí)戰(zhàn)全攻略[M].北京：人民郵電出版社，2011，（10）：70-75.

[7] 曹江華，方建國.Linux核心應(yīng)用命令速查[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010，（08）：213-215.

[8] [美]W.Richard Stevens，Stephen A.Rago.UNIX環(huán)境高級編程（第二版）[M].北京：人民郵電出版社，2006，（05）：87-88.

[9] 李曉中，喬晗，馬鑫.數(shù)據(jù)恢復(fù)原理與實(shí)踐[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011，（05）：16-18.

[10] Evi Nemeth，Garth Snyder，Trent R.Hein[美].Linux系統(tǒng)管理技術(shù)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008：65-67.

[11] Robert Love[美].Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：230-232.

作者簡介：

鐘明輝（1977-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：嵌入式Linux軟件設(shè)計(jì).

朱守元（1981-），女，專科，設(shè)計(jì)師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖像設(shè)計(jì).endprint