固态硬盘的缓存管理及并行调度策略研究

摘要

大规模集成电路设计和制造技术的快速发展使得传统的冯诺依曼体系结构计算机的运行速度得到了巨大的提升。但较慢的存储器与速度更快的中央处理器之间的“鸿沟”日益突出，“存储墙”问题逐渐成为制约计算机系统整体性能进一步提升的关键。固态硬盘（Solid State Drives，SSD）由固态电子存储芯片阵列组成，具有传统机械硬盘所不具备的快速读写、质量轻、能耗低和体积小等优点，但其价格较为昂贵、读写速度不同、容量较低且使用寿命相对较短。固态硬盘已逐渐成为便携计算机系统、桌面计算机系统和服务器系统的重要存储设备。针对不同负载类型的访存行为特点，在固态硬盘内部固件层研究新的缓存管理算法以及开发内部并行度，充分利用固态硬盘在读写速度方面的优势，减小“写操作”带来的高延迟、写放大等负面影响是更为充分和有效地使用固态硬盘的关键问题。
　　本文针对固态硬盘的读写不平衡以及难以高效处理随机写请求的问题，提出了一种固态硬盘的写缓存管理策略。面向以网络访问应用为代表的负载具有大量的读请求和随机写请求的负载特点，本文的写缓存管理策略优先处理读请求，并设置写缓存来保存写请求以便将其中的随机写请求调整为顺序写请求，从而改善固态硬盘读写不平衡和难以高效处理随机写请求的问题，同时根据热度感知替换策略，避免了调度过程造成缓存命中率下降的情况。基于SSDSim模拟器和Financial、Exchange和CAMWEBDEV三个典型测试集进行了对比实验。实验结果表明，本文提出的写缓存管理策略有效地降低了访问请求的平均响应时间，减少了固态硬盘的擦除次数。
　　其次，为了进一步利用固态硬盘内部的并行性，本文提出了一种固态硬盘的并行调度策略。固态硬盘内部由多个芯片、晶圆和通道组成，合理的并行操作可以有效地提升固态硬盘的性能。本文提出的策略通过划分固态硬盘的逻辑空间为多个区域，并且创建专门的轮转子队列对由写缓存访问该区域的请求进行管理，充分的利用了固态硬盘内部良好的并行性。基于SSDSim模拟器，并与Linux系统I/O调度器对于该策略进行了对比实验。实验结果表明，针对文件I/O和数据库两类负载，固态硬盘的并行调度策略提升了系统对于固态硬盘访问的带宽，有效的提高了系统的性能。

目录

声明

第1章绪论

1.1研究的背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容与主要工作

1.4本文组织结构

第2章固态硬盘的研究基础

2.1引言

2.2固态硬盘的特征

2.3固态硬盘的闪存转换层

2.4固态硬盘的缓存管理策略介绍

2.5固态硬盘中并行性的介绍

2.6本章小结

第3章固态硬盘的写缓存管理策略设计

3.1引言

3.2写缓存整体设计

3.3读优先调度算法设计

3.4随机写转换成顺序写调度算法设计

3.5热度感知替换策略

3.6性能分析

3.7本章小结

第4章固态硬盘的并行调度策略设计

4.1引言

4.2并行处理整体设计

4.3并行调度策略

4.4性能分析

4.5本章小结

结论

参考文献

附录A攻读学位期间发表的论文

附录B攻读硕士学位期间所参与的项目

附录C攻读硕士学位期间申请的发明专利

致谢