支持遥感影像在轨处理的闪存缓存管理

摘要

遥感卫星在轨处理通过星载处理器对影像进行实时处理，将海量遥感数据转化成可直接使用的产品，为天气预报、应急救灾等提供了有力支撑;也解决了海量遥感数据由于卫星下传通道带宽限制所带来的浪费。在轨处理涉及到遥感影像预处理、目标识别等多个方面;如此复杂的处理环境需要星载存储器提供强大的实时存储和I/O处理能力。本文以NAND Flash为星载存储介质，探讨了星载存储器如何在遥感影像在轨处理环境下进行I/O性能优化，数据实时存储等问题。并提出了基于NAND Flash的闪存缓存管理方案;实验证明该缓存管理方案有效提升了在轨处理的I/O处理能力，保证了数据的高效实时存储。 本文研究的主要内容，包括如下几个方面: (1).对遥感影像在轨处理任务所涉及到的多种工作负载进行分析，挖掘真实遥感影像处理任务的特殊I/O访问模式。首先，针对遥感影像在轨处理环境所涉及到的多个处理任务（如:重采样、几何校正、图像分割、图像融合、特征提取、植被覆盖指数计算等），进行真实I/O trace的收集，总结其在读写比例、顺序与随机、请求大小、访问间隔等方面的差异;其次，对遥感影像处理的工作负载进行可视化分析，归纳出其在I/O访问模式上的独有特征。 (2).在对遥感影像在轨处理工作负载分析后得到的I/O访问模式基础上，提出了适用于在轨处理环境的闪存缓存管理方案。该方案在文章结构上分为两个部分，分别是方案设计、算法实现;方案设计通过结合闪存存储特性以及遥感影像处理的I/O访问模式，提出了三大缓存管理策略，分别是缓存空间自适应策略、基于重用距离的优先级策略、基于空间局部性的缓存策略;算法实现使用伪代码给出了三大缓存策略的具体算法实现，主要包括缓存空间自适应算法、冷热区缓存置换算法以及结合空间局部性的地址映射算法的实现细节。 (3).使用真实的遥感影像处理工作负载测试闪存缓存管理方案在仿真实验中的各种表现。以缓存命中率、系统响应时间、系统响应时间标准差、闪存读写操作次数为性能指标;通过实验测试闪存缓存管理方案在四个方面的系统性能表现，分为三大策略对系统性能的影响、缓存大小对缓存管理方案的影响、与先进的缓存管理方案(Segmented LRU、CFLRU、LARC)之间的系统性能对比以及它们之间的效率评价。实验证明本文所提出的适用于遥感影像的闪存缓存管理方案，缓存命中率比其余缓存方案高10～50％;系统响应时间比其余缓存方案减少50％～75％;系统响应时间标准差低于其它缓存方案60～80％;闪存读、写操作次数比其余缓存方案分别减少50％、95％。

目录

声明

摘要

1．1研究背景和意义

1．2国内外研究现状及分析

1．3研究内容及创新点

1．4论文组织结构

第二章闪存存储特性与缓存管理

2．1．1闪存存储结构

2．1．2闪存存储特性

2．2闪存映射机制与缓存管理

2．2．2闪存映射机制分析

2．2．3缓存管理实例分析

2．3本章小结

第三章遥感影像的在轨处理需求分析

3．1在轨处理工作负载

3．1．1工作负载采集详情

3．1．2工作负载简要分析

3．2I／O模式分析

3．2．1系统常规I／O模式

3．2．2遥感影像I／O模式

3．3本章小结

第四章在轨处理的闪存缓存方案设计

4．1．2闪存缓存管理框架

4．1．3闪存缓存管理工作流程

4．2在轨处理的闪存缓存管理策略

4．2．1缓存空间自适应策略

4．2．2基于重用距离的优先级策略

4．2．3基于空间局部性的缓存策略

4．3本章小结

第五章在轨处理的闪存缓存方案实现

5．1缓存空间自适应算法实现

5．2基于重用距离的优先级算法实现

5．2．2热区置换算法

5．3 在轨处理的地址映射过程实现

5．4本章小结

第六章实验与性能分析

6．1实验环境

6．2性能指标

6．3性能分析

6．3．1三大缓存策略性能对比

6．3．2缓存大小对缓存管理方案的影响

6．3．3缓存管理方案性能对比

6．3．4缓存管理方案效率评价

6．4本章小结

7．1结论

7．2 展望

攻读硕士学位期间发表的学术论文和科研情况

参考文献

致谢