1，UBI（Unsorted Block Images）是 Linux 内核中为原始 Flash 设备提供的一种抽象层，位于 MTD（Memory Technology Device）和文件系统（如 UBIFS）之间。它负责坏块管理、磨损均衡、逻辑卷管理和擦除计数等功能。下面我们将介绍如何在 Linux 环境下模拟实现一个简化版的 UBI 文件系统。

一、UBI 架构与设计思路

1. UBI 的核心功能

坏块管理（Bad Block Handling）：识别并跳过坏块。
磨损均衡（Wear Leveling）：动态分配擦除操作，延长 Flash 寿命。
逻辑卷管理（Volume Management）：将物理擦除块映射为逻辑卷。
擦除计数（Erase Counting）：记录每个擦除块的擦除次数。

2. 模拟实现思路

使用文件模拟 Flash 存储设备。
设计 UBI 层的数据结构，包括擦除块信息、逻辑卷信息等。
实现核心功能：坏块扫描、磨损均衡、逻辑卷读写。

二、关键数据结构

1. 擦除块信息（`struct ubi_ec_hdr`）

struct ubi_ec_hdr {uint32_t magic;      // UBI 魔数uint8_t version;     // UBI 版本uint8_t padding1[3];uint64_t ec;         // 擦除计数uint32_t vid_hdr_offset; // VID 头偏移uint32_t data_offset;    // 数据偏移uint32_t image_seq;      // 镜像序列号uint8_t padding2[32];
};

2. 逻辑卷信息（`struct ubi_volume`）

struct ubi_volume {int vol_id;          // 卷 IDint leb_count;       // 逻辑擦除块数量int usable_leb_size; // 可用逻辑擦除块大小char name[16];       // 卷名
};

3. UBI 设备信息（`struct ubi_device`）

struct ubi_device {FILE *flashfile;     // 模拟 Flash 的文件int peb_count;       // 物理擦除块数量int peb_size;        // 物理擦除块大小int leb_count;       // 逻辑擦除块数量int leb_size;        // 逻辑擦除块大小struct ubi_ec_hdr *ec_hdrs; // 擦除块头信息struct ubi_volume *volumes; // 逻辑卷信息
};

三、核心功能实现

1. 初始化 UBI 设备

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; // 预留部分块用于 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));// 初始化擦除块头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. 坏块扫描

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);// 标记为坏块ubi->ec_hdrs[i].ec = -1;}}return 0;
}

3. 磨损均衡

int ubi_wear_leveling(struct ubi_device *ubi) {// 找到擦除次数最小的块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;}// 模拟擦除操作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. 逻辑卷读写

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; // 简化映射：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; // 简化映射：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);// 更新擦除计数ubi->ec_hdrs[peb].ec++;return 0;
}