FreeBSD e Dispositivos de Estado Sólido

1. Dispositivos de disco em estado sólido

O escopo deste artigo irá se limitar aos dispositivos de disco em estado sólido baseados em memória flash. A memória flash é uma memória em estado sólido (sem nenhuma parte móvel) a qual não é volátil (a memória mantém os dados mesmo depois que todas as fontes de energia são desligadas). A memória flash pode suportar grandes choques fisicos (quedas, etc) e é razoavelmente rápida (as soluções de memória flash abordadas neste artigo são ligeiramente mais lentas que um disco rigido EIDE para as operações de escrita, e muito mais rápidas para as operações de leitura). Um aspecto muito importante das memórias flash, e que cada setor possui uma capacidade limitada de reescrita. Você somente pode escrever, apagar, e escrever de novo para um setor de uma memória flash um certo número de de vezes antes que o setor se torne permanentemente inutilizado. Embora muitos dispositivos de memória flash mapeiem automaticamente os blocos ruins, e embora alguns deles distribuam as operações de escrita através de toda a unidade, permanece o fato de que existe um limite para o número de operações de escrita que se pode realizar no dispositivo. As unidades competitivas possuem em sua especificação uma vida útil entre 1.000.000 e 10.000.000 de escritas por setor. Esta vida util é variável em função da temperatura do ambiente.

Especificamente, nós iremos estar discutindo sobre unidades compact-flash compatíveis com o padrão ATA e unidades de memória flash DiskOnChip® da M-Systems. Os cartões compact-flash compatíveis com o padrão ATA são muito populares como mídias de armazenamento para câmeras digitais. O interesse particular neste tipo de unidade reside no fato de que elas podem ser conectadas ao barramento IDE, e por serem compatíveis com a especificação ATA. Consequentemente, com um adapatador muito simples e de baixo custo, estes dispositivos podem ser conectados diretamente no barramento IDE de um computador. Ao conectar o dispositivo desta forma, os sistemas operacionais como o FreeBSD irão enxergar o dispositivo como um disco rigido comum (apesar de pequeno). O produto DiskOnChip da M-Systems é baseado na mesma tecnologia de memória flash utilizada nos cartões compact flash compatíveis com o padrão ATA, mas são comercializados no formato de um DIP (um Circuito Integrado) e não são compatíveis com o padrão ATA. Para utilizar este tipo de dispositivo, não basta instalá-lo em uma placa mãe que possua um socket para DiskOnChip, você também precisará gerar um novo kernel para o seu FreeBSD habilitando o suporte ao driver  fla. E mais, e isso é critico, existem dados específicos colocados pelo fabricante no setor de boot deste dispositivo, desta forma você deve ter o cuidado de não instalar o boot loader do FreeBSD (e nenhum outro) quando estiver utilizando um DiskOnChip.

Existem outras soluções de disco em estado sólido, mas eles são caros, obscuros e relativamente complicados para serem abordados dentro do escopo deste artigo.

2. Opções do Kernel

Existem poucas opções no kernel que sejam de interesse específico para a criação de um sistema FreeBSD embedded.

Primeiro, todos os sistemas FreeBSD embedded que utilizam unidades de memória flash como sistema de disco estarão interessados em discos de memória e sistemas de arquivos em memória. Devido o limitado número de operações de escrita que pode ser realizados em uma unidade de memória flash, o disco e o sistema de arquivo provavelmente serão montados em modo de apenas leitura. Neste ambiente, os sistemas de arquivo tais como /tmp e /var serão montados em um sistema de arquivos em memória RAM, de forma a permitir que o sistema possa criar os logs, atualizar os contadores e os arquivos temporários. O sistema de arquivo em memória é um componente crítico para o sucesso da implementação de um sistema FreeBSD embedded.

Você deve certificar-se que as linhas abaixo existam em seu arquivo de configuração do kernel:

options         MFS      # Memory Filesystem
options         MD_ROOT  # md device usable as a potential root device
pseudo-device   md       # memory disk

Segundo, se você irá utilizar dispositivos DiskOnChip da M-Systems, você também irá precisar incluir a linha abaixo:

device        fla0      at isa?

3. O rc.diskless e os sistemas de arquivos de apenas leitura

A inicialização pós boot em um sistema FreeBSD embedded é controlada pelo /etc/rc.diskless2 (o /etc/rc.diskless1 é para o boot diskless usando BOOTP). Este script é chamado através da inserção de uma linha no /etc/rc.conf como a seguir:

diskless_mount=/etc/rc.diskless2

O rc.diskless2 monta o /var em um sistema de arquivo em memória RAM, cria uma lista de diretórios configuráveis no /var com o comando mkdir(1), altera as permissões de alguns destes diretórios, e prepara uma cópia das entradas de dispositivo tornando o /dev uma partição gravável (novamente um sistema de arquivo em memória). Na execução do /etc/rc.diskless2, uma outra variável do rc.conf irá ser consultada - varsize. O /etc/rc.diskless2 cria a partição /var com um tamanho baseado no valor desta variável do rc.conf:

varsize=8192

Lembre-se que este valor está em setores. A criação da partição /dev pelo /etc/rc.diskless2, entretanto, é governada por um valor pré-definido de 4096 setores. É muito simples alterar essa entrada no /etc/rc.diskless2, embora você não precise de mais espaço para o /dev.

É imporante lembrar que o script /etc/rc.diskless2 assume que você já removeu a sua partição /tmp convencional e que já a subistituiu por um link simbólico para /var/tmp. Como o tmp é um dos diretórios criados no /var pelo script /etc/rc.diskless2, e uma vez que o /var é um sistema de arquivo em memória (o qual é montado com permissão para escrita e leitura), o /tmp agora também irá permitir operações de leitura e escrita.

O fato do /var e do /dev serem sistemas de arquivos com permissões de leitura e escrita é uma importante distinção, uma vez que a partição / (e qualquer outra que você tenha em sua midia flash) deve ser montada em modo de apenas leitura. Lembre-se que na Seção 1 nós detalhamos as limitações da memória flash - especificamente a capacidade limitada de escrita por setor. A importância de não montar os sistemas de arquivo da sua unidade flash em modo de leitura e escrita, e a importância de não utilizar uma area de swap, não pode ser menosprezada. Uma area de swap em um sistema de produção sob alta demanda, pode inutilizar uma unidade flash em menos de um ano de uso. A geração intensa de arquivos de logs, bem como a criação e remoção de arquivos temporários em larga escala podem fazer o mesmo. Consequentemente, em complemento a remoção das entradas de swap e do /proc do seu arquivo /etc/fstab, você deve alterar as opções de cada um dos sistemas de arquivos para ro (apenas leitura) como mostrado a seguir:

# Device      Mountpoint  FStype  Options  Dump  Pass#
/dev/ad0s1a   /           ufs     ro       1     1

Algumas aplicações em um sistema médio irão começar a apresentar problemas imediatamente como resultado desta alteração. Por exemplo, não será possivel instalar um port a partir da árvore de ports porque o arquivo /var/db/port.mkversion não existe, o cron não irá executar de forma correta como resultado da inexistência dos cron tabs no /var criado pelo /etc/rc.diskless2, e o syslog e o dhcp irão encontrar problemas como resultado do sistema de arquivo em modo de apenas leitura e da inexistência de arquivos no /var que o /etc/rc.diskless2 criou. Estes são apenas problemas temporários, os quais já estão endereçados, juntamente com outras soluções para a execução de outros pacotes de software comuns na sessão Seção 6.

Um conceito importante de se ter em mente é que um sistema de arquivos foi montado como apenas leitura pelo /etc/fstab pode ser alterado para o modo de leitura e escrita a qualquer momento através do uso do seguinte comando:

# /sbin/mount -uw partition

e pode ser convertido de volta para o modo apenas de leitura com o comando:

# /sbin/mount -ur partition

4. Criação manual de um sistema de arquivos.

Devido a compatibilidade com o padrão ATA os cartões Compact-Flash são vistos pelo FreeBSD como um disco rigido IDE normal, assim como o ocorre com uma unidade DiskOnChip da M-Systems (quando você está utilizando um kernel com suporte ao driver fla habilitado), você pode teoricamente instalar o FreeBSD apartir da rede utilizando os disquetes de boot (kern e mfsroot) ou apartir do CD. Além do fato de que você não deve instalar o boot loader quando estiver usando um dispositivo M-Systems, não é necessário nenhuma outra instrução especial.

Entretanto, ao instalar o FreeBSD pelos procedimentos normais (mesmo para uma pequena instalação), pode produzir um sistema com um tamanho superior a 200 megabytes. Como a maioria das pessoas costumam utilizar dispositivos de memória flash com uma capacidade menor que esta (128 Mb é considerado muitas vezes um exagero, sendo que unidades entre 16 e 32 são consideradas normais) uma instalação usando os mecanismos normais não é possivel -- pois simplesmente não existe espaço suficiente nem mesmo para a instalação minima do método convencional.

A forma mais simples de superar esta limitação do espaço é instalar o FreeBSD usando os meios convencionais em um HD normal. Deposi que a instalação estiver completa, remova os itens desnecessários para os seus objetivos até que o sistema caiba na sua unidade de memória flash, então faça um tar do sistema de arquivos inteiro. Os passos seguintes irão guia-lo através do processo de preparação de uma unidade de memória flash para o seu sistema de arquivos targeado. Lembre-se, que uma vexz que não estaremos realizando a instalação pelos métodos normais, as operações tais como particionamento, criação dos slices, criação do sistema de arquivos, etc terão que ser realizados manualmente. Além dos discos kern.flp e mfsroot.flp, você também irá precisar do disco de fixit. Se você estiver utilizando um DiskOnChip da M-Systems, o kernel utilizando com o seu disquete do kerne.flp irá precisar do suporte ao driver fla habilitado, como detalhado no item Seção 2 Por favor consulte a sessão Seção 5, para obter maiores informações sobre como criar um novo kernel para o kern.flp.

5. Preparando um disquete de boot (kern.flp ) com o driver fla habilitado

É possível que o seu disco de boot kern.flp não utilize um kernel com suporte ao driver fla habilitado, o que é necessário para que o sistema reconheça um dispositivo DiskOnChip. Se você deu boot no sistema com os disquetes de instalação padrões e foi informado pelo sistema de que não existe nenhum disco presente, então é muito provável que o driver fla não exista no seu kernel.

Depois que você tiver compilado um kernel com suporte ao driver fla, que seja menor que 1.4 Mb, você pode criar uma imagem customizada do kern.flp com ele, seguindo as seguintes instruções:

O seu arquivo kern.flp agora possui um novo kernel.

6. Estratégias para configuração de sistemas reduzidos e com sistemas de arquivos em modo de apenas leitura

Na sessão Seção 3, foi mencionado que o sistema de arquivos /var criado pelo /etc/rc.diskless2 e a presença de uma partição raiz em modo de apenas leitura causariam problemas com muitos softwares utilizados normalmente com o FreeBSD. Nesta sessão vamos dar algumas sugestões para rodar com sucesso o cron, o syslogd, o web server apache, instalação de aplicativos via ports.

# touch /var/log/security /var/log/maillog /var/log/cron /var/log/messages
# chmod 0644 /var/log/*

# mkdir /etc/pkg

# ln -s /etc/pkg /var/db/pkg

# touch /var/db/port.mkversion
# chmod 0644 /var/db/port.mkversion
# echo 20010412 >> /var/db/port.mkversion

# chmod 0774 /var/log/apache
# chown nobody:nobody /var/log/apache

# rm -rf (apache_install)/logs
# ln -s /var/log/apache (apache_install)/logs