隨著芯片技術的發展，各種處理器的處理能力不斷提高，手持智能終端得到極大的普及。嵌入式Linux操作系統在未來的手持智能設備中將扮演著非常重要的角色，使嵌入式Linux的應用和研究不斷的深入。

由于Microsoft公司的Windows操作系統占據了桌面操作系統絕大多數份額，而手持智能設備與PC機的數據交換又在所難免，因此，絕大多數的大容量嵌入式智能設備必須采用與PC機兼容的FAT/FAT32文件系統。隨著便攜式硬盤的應用，FAT32在嵌入式硬盤上已成為主流的格式。

同時，隨著CPU處理能力的提高，面向存儲的應用需求在手持智能設備上也隨著不斷增長，文件系統的訪問性能將是未來的手持設備非常關鍵的因素。然而，當硬盤在手持智能設備上應用時，由于硬盤訪問的高耗能特性，對于手持設備的設計構成了極大的挑戰。而硬盤的能耗又與讀寫訪問的時間成正比，從節能的角度出發，系統設計者同樣希望在單位時間內讀取更多內容，以減少硬盤訪問時間從而達到節能的目的。因此，在Linux上的FAT32的優化實現成為非常迫切的需求。

1 Linux中FAT32文件系統讀操作分析

1.1 虛擬文件系統與FAT32[1-2]

Linux系統中的虛擬文件系統VFS(Virtual File System)是一個非常強大的機制，其設計思路是在內核中提供一個文件系統框架，包括接口函數集、管理用的數據結構以及各種緩存機制。VFS提供上下兩個方面的接口,上層接口是提供給I/O系統的用戶使用的，包括應用程序和內核的其他管理模塊，通過該接口可使I/O系統（文件、設備、網絡等）完成如打開、關閉、讀、寫等;下層接口是提供給真實文件系統的，VFS支持的每個真實文件系統都要通過這個接口來實現。通過這種機制，Linux將系統存在的各種真實文件系統(如EXT2/EXT3、FAT/FAT32、JFFS/JFFS2等)以及設備文件都統一到一種操作中，以此來實現系統的管理與調度。

FAT(File Allocation Table)文件系統是Microsoft公司推出的廣泛使用在Dos、Windows 9X、Windows 2000以及Windows XP系統中。由于Windows系列的操作系統的普及，其FAT文件系統被人們所廣泛熟悉和應用。當前針對大容量硬盤，FAT32文件系統占據了主要的地位。在FAT32文件系統中，以下三個概念與文件的組織密切相關：

扇區(Sector): 數據存取的最小物理單位。
簇(Cluster):文件最小分配單位，與分區大小、文件系統相關。
邏輯扇區(Logic Sector):在文件系統實現中，為了優化和統一設計所定義的讀寫長度。

1.2 文件讀在內核中的實現

以讀操作為例，通過Linux系統中VFS的作用，從用戶空間對FAT32的操作，系統可以抽象成從fread( )映射到內核函數do_generic_file_read( )來完成具體的文件讀操作。在文件/μCLinux/linux-2.4.x/mmnommu/filemap.c中存在這個接口實現的原型。雖然這類接口并不是基本的，但正如大多數文件系統的實現，FAT32就是通過這類接口來實現文件的各種操作。

圖1描述了函數do_generic_file_read( )的實現原理。從函數入口處獲得目標內容的文件描述指針，從而獲得文件入口。通過分析描述符inode以及當前狀態，系統獲得預讀read_ahead的大小，進行相應的計算，獲得所需要獲取的目標內容Page頁索引以及offset偏移量。然后發起預讀的指令，并等待獲得相應的Page內容后，將其拷貝到buffer中進行組織，并提供上層程序磁盤文件在內存中的映像。

1.3 文件預讀機制與Page讀[1-4]

在do_generic_file_read的實現中，磁盤讀動作實際是在預讀read_ahead中完成的，即預讀機制。這是由于Linux系統為了獲得更高的性能以及充分利用CPU處理能力，VFS設計中做了一層buffer/cache緩沖。當系統發現buffer/cache中有即將要訪問的內容缺失時，系統將發起一次預讀請求。下層文件系統根據尋找CPU以及總線的空閑狀態，執行具體的預讀機制。這樣,上下層構成一個異步過程來完成系統的任務，以達到充分利用系統資源的目的。

在考察read_ahead( )的實現中可以發現，實際上read_ahead( )函數的主要功能是根據實際需求不斷調用文件系統中的readpage( )函數來完成的。這是由于Linux的內存管理都是按照頁(Page)模式進行組織的。也就是說,每次從具體的對象數據存儲設備(如硬盤)上讀取相應的數據時，將嚴格按照page的大小進行讀取動作。根據一般定義，Page采用4 096B為單位。在Linux上的FAT32實現中，將由fat_readpage( )具體應用實例來實現這個功能。

1.4 Block讀實現[3-4]

由于不同的硬件設備存在不同的物理結構，在文件系統格式化時，最基本的存儲單元Cluster的大小是不同的。如通常能夠見到的有512B、1KB等。也就是說，實際文件的存儲是按照不同的目標存儲設備劃分為不同的塊來存儲的。在文件系統實現中，為了兼容不同的目標系統與硬件設備，在FAT文件系統中的Page讀動作的實現中，引入了一個Block概念，即根據具體文件描述，按照Block大小完成整個Page的讀命令。
在μCLinux/linux-2.4.x/mmnommu/filemap.c文件中，fat_readpage( )的實現就是根據上述目標進行相應設計的，即通過inode獲取相應文件的具體存儲信息，然后將Page讀轉化為按照Block塊方式進行讀操作。也就是通過反復調用block_read_full_page( )函數來滿足最后Page內容的獲取。

函數block_read_full_page( )的具體實現過程如圖2所示。系統根據傳入的參數，獲得Block大小，生成相應的緩存空間，然后反復發出Block讀的Request，直到完成整個Page的讀任務。

如圖2所示Block_read_full_page( )的實現機理中，最重要的是根據系統狀況，經過計算確切地獲得將由多少個Block來組成一個Page。

在Linux實現中，Block大小決定于文件描述符inode中的i_blkbits域。在Linux中的FAT32文件系統設計中，inode->i_blkbits是由FAT32系統中的logic_sector_size決定的，即用/linux-2.4.x/fs/fat/inode.c來實現從FAT32文件系統映射到Linux的inode各項定義。