固态存储系统PCIe接口的设计方法与实现

摘要

随着信息技术的快速发展,存储器的性能逐渐成为了研究热点。传统磁盘由于其机械装置的限制,在性能、能耗上越来越不能满足一些高性能的应用需求。基于NAND Flash(闪存)的固态盘具有低能耗、非易失、高随机读写性能等很良好的特性,正逐步取代磁盘成为主流的存储介质。
　　常用的固态盘接口有USB、SATA等,这些接口由于其物理特性,在一定程度上限制了固态盘的读写速度,成为了固态盘的性能瓶颈。因此,目前高性能固态盘接口的研究转向了PCIe存储接口,其全双工、多请求处理能力以及无序处理能力给存储性能带来极大的提升,而且可扩展的接口带宽大大提升了链路速度。因此PCIe在很多有高性能存储需求的场合已经得到了广泛的应用。
　　NVMe(Non-Volatile Memory express)是PCIe固态存储器的通用逻辑层协议,规定了主机和固态盘之间的通信方式。论文研究了如何通过NVMe协议构造一个PCIe固态存储系统,使主机端软件和设备端固态存储子系统进行通信。其中包括在Linux系统中编写驱动程序使系统能够识别出PCIe固态盘,并作为一个普通的磁盘使用。在实现方式上,主机端和固态盘控制器端通过信息队列来传递读写命令,并采用DMA(Direct Memory Access)方式传输数据。除此之外,论文提出了一种固态盘性能优化的算法,主要的功能是分析主机端上层软件对固态盘的I/O请求,提取读写请求的读写频率等特征,并利用NVMe协议中优化的寄存器接口和指令集等高级特性,根据主机端统计的固态盘中逻辑块的读写请求特征信息对缓存中的替换策略进行相应的改进,将读写频率高的逻辑块换入缓存,而将读写频率低的逻辑块换出缓存,从而提升缓存的命中率。实验结果表明,该算法提高了缓存的命中率,降低了数据写回NAND FLASH的次数,增加了固态盘的寿命。

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1 绪论

1.1固态存储器简介

1.2常用固态盘存储器接口

1.3 NVMe协议

1.4本文研究内容

2 固态存储系统总体架构设计

2.1 固态存储控制器的硬件平台

2.2 主机和控制器之间的通信

2.3 本章小结

3 驱动程序设计

3.1 驱动程序总体架构和模块划分

3.2 基本数据结构设计

3.3 各模块的功能实现

3.4 本章小结

4 性能优化

4.1 固态盘性能瓶颈分析

4.2 NVMe中提高缓存命中率的方法

4.3 读写请求信息的收集和存储

4.4 本章小结

5 功能验证与测试

5.1 驱动程序测试

5.2 优化策略测试

5.3本章小结

6 总结和展望

6.1全文总结

6.2展望

致谢

参考文献