软件定义的PCM与NANDFlash融合存储系统研究

摘要

目前大多数固态硬盘为了提高适用性都由内部提供的闪存转换层向主机端屏蔽闪存（NAND Flash）本身的缺陷。然而这种封装成黑盒子的固态硬盘，很难获取主机端存储请求的语义信息，固态盘内部的FTL算法无法通过数据的语义来组织数据、调度数据访问，提高固态盘的性能。同时，主机端针对传统磁盘设计的文件系统和I/O调度程序也不适用于固态硬盘，并且无法获取固态硬盘的物理信息及相关统计信息做好存储系统的性能优化。
　　为了满足用户特色应用需求提升存储系统的整体性能，针对上述问题提出一种软件定义的相变存储器（PCM）与闪存融合的存储系统。在固态硬盘中融入性能更好的非易失存储器件PCM，根据主机数据访问模式将其作为NAND Flash的同级存储器或者上级缓存使用。为了充分利用PCM和NAND Flash共同优势，设备端将NAND Flash和PCM的通道信息、擦除次数、数据布局信息都暴露给主机端，并且在主机端完成FTL的关键算法，将存储系统设计成一个软、硬件协同工作的融合系统。优化主机与设备之间的操作接口、缩短数据访问的I/O路径，文件系统和应用程序可以直接调用接口读写PCM和NAND Flash，最大化地利用了PCM和NANDFlash的优势。为达到设计目的，在主机端部署了一个融合存储层，并在其中实现灵活的PCM和NAND Flash地址映射及I/O调度策略，以提高存储系统性能和灵活性。以期达到在不改变硬件设备的条件下，通过软件定义的途径为用户专门定制满足特色应用的融合存储系统的目的。实验结果充分表明了该方法的有效性。

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1绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究概况

1.3论文研究内容

1.4本文组织结构

2融合存储系统设计

2.1PCM和NAND Flash性能分析

2.2融合存储系统架构

2.3软件定义的融合存储方式

2.4本章小结

3融合存储系统硬件原型设计与实现

3.1硬件结构

3.2闪存控制器设计

3.3 PCM控制器设计

3.4传输接口方式

3.5固件算法

3.6本章小结

4融合存储系统软件设计与实现

4.1地址映射算法

4.2 I/O调度算法

4.3融合存储驱动设计

4.4融合存储系统软件定义的实现

4.5本章小结

5融合存储系统搭建和性能分析

5.1融合存储系统搭建

5.2融合存储系统性能分析

5.3本章小结

6全文总结及展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文和专利