面向嵌入式系统的TLC/SLC双模闪存转换层算法研究

摘要

近年来，由于NAND闪存具有非易失性、低待机功耗、高密度和抗冲击性等优点，而被广泛应用于嵌入式系统中。巨大的商业前景又促进了NAND闪存技术的快速发展，新型TLC（Triple Level Cell）NAND闪存的存储密度是传统SLC（Single Level Cell）NAND闪存的3倍，是MLC（Multi Level Cell）NAND闪存的1.5倍，且成本更为低廉,逐渐成为主流的NAND闪存存储介质。然而，与传统闪存相比，TLC NAND闪存也有明显的不足，比如：读取/写入延迟高和耐久性低。这些都将成为基于TLC NAND闪存的嵌入式系统的性能瓶颈。因此三星等闪存生产商提供了一种可以在SLC存储模式和TLC存储模式之间自由转换的TLC/SLC双模闪存。
　　为此，本文在基于TLC/SLC双模闪存的嵌入式系统中，重新设计了文件系统的闪存转换层（Flash Translation Layer，以下简称FTL），名为Balloon-FTL，它主要包含两个部分：
　　1）针对TLC NAND闪存性能的问题，采用可以动态转换存储模式的TLC/SLC双模闪存作为嵌入式设备的外存，根据嵌入式终端用户使用特点，提出存储负载感知算法；
　　2）根据嵌入式设备I/O数据访问特性，提出一种混合映射算法。并通过实验证明以上两个算法的有效性。本文具体工作如下：
　　第一，基于TLC NAND闪存的嵌入式系统应用十分广泛，如果不能根据使用情况动态合理划分TLC/SLC双模闪存空间。不仅会增加数据的读/写延迟，同时也会加重对非易失性存储器的磨损。为此，根据终端用户使用特点，本文提出一个存储负载感知算法，通过智能识别系统I/O数据特点，动态划分TLC/SLC双模闪存空间，从而达到降低系统读/写数据延迟，增加非易失性存储器耐久的目的。
　　第二，TLC NAND闪存较高的读/写延迟和较低的耐久为传统FTL的性能带来挑战。为此，根据文件系统I/O特性和时间局域性原理，本文提出一种高精度的数据混合映射策略，以提高系统使用耐久、降低访问延迟，并提升用户体验。
　　最后，本文在Linux系统下开发了一套TLC/SLC双模闪存的仿真实验软件，并验证本文提出算法的有效性。实验结果表明，Balloon-FTL可以有效识别嵌入式终端用户使用特点，动态合理划分TLC/SLC双模闪存空间，有效利用TLC/SLC双模闪存两种存储模式的优点。并且Balloon-FTL可以精确管理I/O数据。在系统性能方面，有效降低了系统读取/写入数据延迟时间，增加了非易失性存储器耐久。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3论文主要研究内容

1.4论文组织结构

2 背景技术分析

2.1 闪存技术简介

2.2 闪存转换层

2.3 TLC/SLC混合闪存

2.4 Balloon-FTL中遗传算法的简介

2.5 本章小结

3 Balloon-FTL的设计与实现

3.1 Balloon-FTL的架构设计

3.2 存储负载感知算法的设计意义

3.3 Balloon-FTL中的存储负载感知算法设计

3.4 Balloon-FTL中的数据混合映射算法设计

3.5 本章小结

4 系统开发与测试

4.1 测试环境

4.2 测试结果及分析

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间内发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间内参加的科研项目：