基于超级块的实时闪存转换层的设计与研究

摘要

近年来，随着处理器和内存性能的不断增长，I/O逐渐成为了限制计算机系统发展的瓶颈，与此同时，大数据时代的到来对计算机系统的I/O访问速度也提出了更高的要求。为了提高系统的I/O性能，传统的磁盘做出了诸多改进，然而受限于其依赖于机械运动实现的事实，访问延迟得不到根本性的提升，难以突破计算机系统的I/O访问瓶颈。闪存芯片基于半导体技术作为新一代的非易失性存储器，具有低延迟，低功耗，抗震性强的特点，正从嵌入式应用中推广至个人计算机及大规模数据中心应用中以代替传统磁盘来使用。然而闪存芯片的读写不对称，异地更新的限制使其不能直接应用在计算机系统中代替传统磁盘的位置。为了尽可能少对目前的计算机系统进行更改，闪存转换层作为文件系统与闪存存储系统的中间层被提出来掩盖闪存的相关特性，从而使得文件系统可以像访问机械磁盘那样去访问闪存。闪存转换层对闪存芯片进行统一管理，对闪存的使用性能具有决定性的作用，因此，如何设计高效的闪存转换层算法，提高闪存存储系统的利用率和I/O性能意义重大。
　　本文对实时系统中的闪存转换层算法展开研究。闪存转换层作为中间转换层主要包括地址映射，垃圾回收和损耗均衡等功能。其中，地址映射负责将文件系统发出的虚拟逻辑地址映射为闪存存储系统中的物理地址;垃圾回收由有效页的拷贝操作和块擦除操作组成，负责将系统中存放无效数据的闪存块擦除后重新利用;而损耗均衡则是为了均衡的使用闪存芯片中的块，从而延长闪存的使用寿命。本文通过分析闪存转换层垃圾回收过程的工作特点得出通过推迟闪存中的垃圾回收过程，可以减少系统中的有效页拷贝操作，从而减少垃圾回收的代价，提高闪存的使用效率。
　　本文对实时系统中闪存存储系统进行建模，实现了一种自适应的局部垃圾回收策略，并在此基础上提出两种实时系统中的闪存转换层算法RAFT和DSFTL。自适应局部垃圾回收策略中将垃圾回收的过程将有效页的拷贝和块擦除操作分为多步进行，根据闪存系统中块的使用情况，综合的使用集中式局部垃圾回收策略和分布式局部垃圾回收策略，尽可能推迟块擦除操作，从而减少垃圾回收过程中的有效页拷贝操作，提高系统性能。另外，在两种闪存转换层算法中，本文采用了一种按需分配的方式进行物理空间和逻辑空间的映射，对于经常访问的逻辑块按需分配多个物理块，而较少访问的逻辑块则分配较少的物理空间，通过这种分配方式，推迟了垃圾回收的触发时间。另外DSFTL算法中，根据系统运行过程中的数据访问特点，进行超级块的合并操作，将冷热数据分别存放在不同的超级块中，基于不同的超级块进行物理空间的分配，减少垃圾回收过程中的花销，进一步提高了闪存芯片的使用效率。
　　为了对本文所提出的闪存转换层算法进行性能评估，本文设计并开发了基于闪存存储系统的仿真平台。通过一系列的实验对所提出的算法进行评估。在实验平台中，对闪存存储系统的软硬件部分分别模拟，能够从访问时间，读写操作，块擦除操作次数等多方面对闪存芯片性能进行分析。实验结果表明，本文提出的算法可以在保证实时系统访问时间的前提下，降低系统运行过程中垃圾回收的代价，减少有效页的拷贝和块擦除操作，提高系统的平均访问时间。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 本文的主要工作

1．3 论文的组织结构

第2章 闪存转换层相关工作分析

2．1 NAND flash存储结构

2．2 闪存转换层简介

2．3 地址映射

2．4 垃圾回收

2．5 本章小结

第3章 基本概念和模型

3．1 基本概念

3．2 实时模型建立

3．3 本章小结

第4章 闪存转换层算法设计

4．1 自适应垃圾回收算法

4．2 基于自适应垃圾回收算法的实时FTL(RAFTL)

4．3 数据驱动的超级块实时FTL(DSFTL)

4．4 本章小结

第5章 实验结果及分析

5．1 实验方法与实验框架

5．2 实验仿真平台建立

5．3 实验结果与分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的主要学术论文

攻读学位期间参与科研项目及获奖情况