littlefs性能分析

分析的目的很简单：希望支持掉电安全，或者说具有奔溃一致性特性的文件系统，他的读写速度能得到提升。如果了解了瓶颈所在，也可触类旁通。

本次分析，使用了大量的对比测试：

littlefs	读（KB/S)	写（KB/S)	分析
lfs初始速度 read_size=512, prog_size=512, block_size=512, lookahead_size=8	0.765178101	18.980361328	初始速度
lookahead_size=256	18.695521484	18.400935547	⬆
更新littlefs到最新版本，lookahead_size=256	18.781650391	18.402720703	-
lookahead_size=8192	34.649105469	18.399744141	⬆
block_cycles从-1改为1000	34.795378906	18.393941406	-
lookahead_size=8k ,block_size=120k=240sector	3729.2665	3441.53175	需要同步更改lfs_io文件
lookahead_size=8k,block_size=1024sector	5603.085	7898.793	⬆
取消fal	9439.222	7844.319	取消fal对读速度影响很大，对写没有影响
直接使用块驱动接口，不使用驱动框架	9323.166	7871.461	-
更改测试用例	11524.075	8597.326	⬆
read_size=128sector, prog_size=1024sector, block_size=1024sector	13287.461	19012.166	减小了readsize
一次性写1024block	26.10 MB/s	28.44 MB/s	直接调用驱动接口os_device_write_nonblock
一次性写4block	0.25MB/s	0.27MB/s	-

为何驱动接口一次性读取更多的block会更快?

在eMMC存储中，一次性读取更多的数据块可能会更快的因素包括：

1. 减少命令开销：每次读取操作之前，主机需要向eMMC发送命令。如果一次性读取更多的数据块，可以减少命令的发送次数，从而降低命令传输的开销。
2. 提高数据传输带宽利用率：eMMC接口支持高速数据传输，一次性读取更多的数据块可以更充分地利用接口的带宽，从而提高数据传输的效率。
3. 利用eMMC的缓存：eMMC设备内部通常包含一定大小的缓存，用于优化数据传输。一次性读取更多的数据块可以更有效地利用这个缓存，减少访问实际闪存介质的次数。
4. 减少事务处理次数：eMMC的读写操作是通过事务来管理的，每个事务包括命令、响应和数据传输。减少事务处理的次数可以提高整体的传输效率。
5. 优化闪存操作：eMMC使用的是闪存存储技术，闪存的读取操作在处理大量数据时更为高效。一次性读取更多的数据块可以减少对闪存的编程/擦除操作，从而提高读取速度。
6. 减少接口切换：eMMC接口支持多种操作模式，包括数据传输模式和命令模式。一次性读取更多的数据块可以减少在这些模式之间切换的次数，从而节省时间。

为何lfs的读写操作要比直接调用驱动接口更慢？

1. 抽象层开销：LFS作为文件系统，提供了文件和目录的抽象。这意味着在进行读写操作时，LFS需要处理文件系统的元数据，如目录结构、文件属性等，这增加了额外的开销。
2. 缓存和缓冲：文件系统通常会使用缓存来优化对存储设备的访问。LFS可能有自己的缓存策略，这可能会增加读写操作的复杂性，尤其是在缓存失效或需要刷新缓存到存储设备时。
3. 事务日志：LFS可能使用事务日志来确保文件系统的原子性和一致性。这意味着每次写操作可能需要额外的步骤来记录日志，这会增加写操作的延迟。
4. 额外的写入操作：为了维护文件系统的结构，LFS可能需要进行额外的写入操作，比如更新文件系统的分配位图或者索引数据结构。
5. 碎片处理：文件系统可能会随着时间的推移产生碎片，这需要LFS进行额外的管理工作，如动态地分配和回收存储空间，这可能会导致读写操作变慢。
6. 同步和异步操作：直接调用驱动接口的读写操作可能更直接地控制同步和异步行为。而文件系统可能会为了数据的完整性而默认使用同步操作，这会阻塞直到数据完全写入或读取。
7. 文件系统的一致性检查：LFS可能需要在启动或特定操作时执行一致性检查，以确保文件系统的完整性，这可能会导致额外的延迟。
8. 系统调用开销：使用文件系统通常涉及到系统调用，这比直接在用户空间操作硬件驱动接口要慢，因为系统调用涉及到用户空间与内核空间之间的上下文切换。

总的来说，LFS提供了丰富的文件管理功能，但这些功能在提供便利的同时也带来了额外的性能开销。对于需要极高读写性能的应用，直接操作存储设备驱动接口可能会更高效，但这通常需要更复杂的错误处理和设备管理逻辑

为何fal让写速率变慢？

在接口fal_blk_write_block中调用了fal_part_erase擦除接口，他会执行擦除操作，把所有的位都置1。

但其实对于eMMC存储设备，开发者通常不需要手动调用擦除接口。eMMC设备的控制器已经对底层的闪存操作进行了抽象和封装，包括必要的擦除操作。这意味着当应用程序写入数据到eMMC时，控制器会自动处理闪存块的管理，包括在必要时擦除和重写数据。

为何提高block_size，read_size，prog_size会让性能提升？

修改它们的同时，需要同步修改lfs_io.c文件，之间的lfs_flash_write/lfs_flash_read只能一次写入一个block，导致性能较弱。提高size大小，最终对应到os_device_write_nonblock，可以让驱动接口一次性读写多个块，从而提升性能。

直接从存储介质读取：如果数据既不在预缓存也不在读缓存中，且满足一定条件（如：大小大于等于缓存提示值并且读取位置对齐），则跳过缓存，直接从存储介质读取数据到用户缓冲区。

选择数据块：如果当前文件不在读取模式或当前块已读完，函数会找到包含文件当前位置的数据块。对于非内联文件，使用lfs_ctz_find查找数据块。

加载数据到读缓存：如果上述条件不满足，将数据加载到读缓存中，确保读取位置对齐，并读取尽可能多的数据，但不超过缓存大小和块大小。

为何提高littlefs的lookahead_size，能让性能提升?

1. 减少查找开销：当LittleFS需要分配新的存储块时，它会使用lookahead buffer来预先检查和标记一系列可用块。一个更大的lookahead buffer意味着可以预先检查更多的块，从而减少在实际写入数据时寻找可用块所需的时间和开销。这在连续分配多个块时特别有效，因为它减少了对闪存的重复扫描。
2. 优化块分配策略：由于lookahead buffer是按位图形式组织的，更大的尺寸意味着能够覆盖更多的物理块状态。这样，文件系统可以在更宽的范围内进行块分配选择，有助于实现更好的磨损平衡，避免某些块过早达到擦写极限，从而延长存储介质的寿命。
3. 减少写入放大：通过更有效的块分配，可以减少不必要的擦除和重写操作（写入放大），因为文件系统可以更好地规划数据的存放位置，避免频繁地移动数据来腾出空间。这对于基于闪存的存储介质（如eMMC、NAND Flash）尤为重要，因为这些介质的擦写操作相比读取操作要慢得多且寿命有限。
4. 提高顺序写入速度：对于连续的大块数据写入，较大的lookahead_size可以确保文件系统有足够多的连续空闲块来满足需求，从而减少碎片化，提高顺序写入的速度。