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车载数据记录器中Nand Flash文件系统的研究

作　者: 孟军
导　师: 唐涛
学　校: 北京交通大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: CBTC 车载数据记录器 Nand Flash 文件系统垃圾回收磨损平衡有色Petri网(CPN) 建模与分析
分类号: U284.48
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 126次
引　用: 2次
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内容摘要

随着计算机和通信技术的发展,基于通信的列车运行控制(CommunicationBased Train Control,CBTC)系统是今后轨道交通列车运行控制系统的发展趋势。车载控制器(VOBC)作为CBTC系统中的关键设备,具有复杂的功能和很高的安全性要求。因此需要记录大量的列车状态信息和运行日志,以此作为开发人员调试设备的依据,为了降低查找数据的复杂度,从而方便开发人员进行故障定位和故障重现,需要在车载数据记录器中使用文件系统对大量的记录信息进行有效的管理。根据车载数据记录器的需求,论文采用Nand Flash作为大容量存储单元,并对Nand Flash文件系统的结构和算法进行了设计。在文件管理层,借鉴ⅰ节点和日志文件系统的设计思想,设计了树形结构以及“先写后擦”的操作方式,从而保证了文件操作的快速性和数据的可靠性。在空间管理层,设计了空间管理表的索引结构,提高了查找和分配资源的效率。在垃圾回收机制中设计了dirtiest-list的方法,在垃圾回收时综合考虑回收率和擦除次数。针对cold data(长期不更新的数据)引起的磨损不平衡现象,设计了主动平衡策略,将cold data搬移到擦除次数最多的空闲块中,使擦除次数少的块能够进入到磨损循环中来。为了增强系统的可靠性,论文设计了有效的异常恢复机制,通过对状态标记和对象号(记录在页空闲区中)的判断,实现对数据的恢复。在系统设计的基础上,论文引入了形式化验证方法有色Petri网(CPN)对文件系统空间分配算法进行了建模。采用“由上而下”的思路建立了顶层模型和各个子模型,子模型包括写入、删除、垃圾回收以及磨损平衡模块。并针对写入模块进行了重点研究,利用状态空间分析的方法完成了该模型的完备性验证,为整个模型的验证提供了一种可行的方法。最后,论文通过计算机仿真的方法对垃圾回收的性能和磨损平衡的效果进行了测试和分析。通过分析,发现了垃圾回收机制中存在的问题,针对该问题提出改进的策略,并验证了改进的效果。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 引言  11-21
  1.1 选题的背景和意义  11-12
  1.2 存储器技术现状  12-14
  1.3 文件系统的实现概述  14-18
    1.3.1 磁盘文件系统的实现  14-16
    1.3.2 Flash文件系统的实现  16-18
  1.4 形式化验证方法  18-19
  1.5 论文的研究内容及组织结构  19-20
  1.6 本章小结  20-21
2 车载数据记录器文件系统的设计  21-48
  2.1 文件系统的结构设计  21-23
  2.2 文件管理层设计  23-32
    2.2.1 文件管理方式  23-28
    2.2.2 文件及目录的查询  28-29
    2.2.3 文件及目录的增删  29-31
    2.2.4 索引级数增减  31-32
  2.3 空间管理层设计  32-44
    2.3.1 文件系统的布局  32-35
    2.3.2 信息表的管理  35-39
    2.3.3 空闲资源的分配  39-40
    2.3.4 垃圾回收机制  40-42
    2.3.5 磨损平衡策略  42-44
  2.4 异常恢复机制  44-47
  2.5 本章小结  47-48
3 空间管理算法的完备性验证  48-68
  3.1 形式化验证方法CPN  48-49
  3.2 文件系统的模型设计  49-61
    3.2.1 顶层模型设计  49-51
    3.2.2 写模块  51-52
    3.2.3 删除模块  52-53
    3.2.4 垃圾回收模块  53-59
    3.2.5 磨损平衡模块  59-60
    3.2.6 调整模块  60-61
  3.3 算法完备性验证  61-66
    3.3.1 完备性验证指标  61-62
    3.3.2 状态空间分析  62-66
  3.4 本章小结  66-68
4 文件系统的仿真测试  68-85
  4.1 测试模型的设计  68-72
    4.1.1 文件信息模拟  69-70
    4.1.2 文件系统的仿真  70-71
    4.1.3 测试数据的输出  71-72
  4.2 测试方案的设计  72-73
  4.3 垃圾回收及磨损平衡性能测试及分析  73-84
    4.3.1 数据分析  73-74
    4.3.2 图形分析  74-83
    4.3.3 对垃圾回收策略的改进  83-84
  4.4 本章小结  84-85
5 研究工作总结与展望  85-87
  5.1 研究工作总结  85-86
  5.2 后续工作展望  86-87
参考文献  87-89
图索引  89-91
表索引  91-92
作者简历  92-94
学位论文数据集  94

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