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基于NAND闪存的固态存储系统设计及优化

作　者: 刘烈超
导　师: 刘景宁
学　校: 华中科技大学
专　业: 计算机系统结构
关键词: 固态存储闪存闪存转换层映射
分类号: TP333
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 25次
引　用: 0次
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内容摘要

传统硬盘受限于机械式装置较大的访问延迟，很难满足高性能存储系统的需求，固态存储设备具有读写速度快，功耗低等优点，被越来越多地应用到存储系统中。在要求大容量高性能固态存储系统的企业级应用中，通常采用PCIe(PeripheralComponent Interconnection Express)接口的固态盘方案，但是实现方案各不兼容。NVMe(Non-volatile Memory Express)协议定义了采用PCIe总线的非易失存储子系统接口标准和命令集，通过规范操作系统和非易失存储子系统的通信协议，提高了系统的性能和兼容性。NVMe协议包含专用于非易失存储系统的命令，支持主机操作系统和固态盘协同优化。针对企业级应用对大容量高性能固态存储系统的需求，设计了基于NAND闪存的固态存储系统方案，系统包括固态存储设备驱动部分和固态存储卡部分，利用NVMe协议实现主机系统和存储卡系统的交互，通过多命令队列机制满足企业级应用高并发访问的负载特性。将固态存储卡部分划分为NVMe协议栈模块、闪存转换层模块和存储卡平台，便于系统软硬件协同开发，有利于系统升级。系统针对随机小写和映射表容量扩展性问题，采用一种子页-双页混合映射方式，利用缓存部分映射表技术弥补大容量固态存储映射表空间过大的不足。设计了闪存转换层（FTL，Flash Translation Layer）方案，包括与子页-双页混合映射方式配合使用的缓冲区管理策略和垃圾回收算法。采用NVMe标准协议的固态存储系统方案具有很好的兼容性，通过对系统进行模拟仿真表明，这种方案能适应随机性负载较多、存储容量需求较大的企业级应用，通过优化闪存转换层，提高了写入性能，以较小的缓存映射表空间，保持了固态存储系统方案良好的扩展性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-14
  1.1 课题研究背景  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-12
  1.3 研究目的和意义  12-13
  1.4 本文的研究内容和章节安排  13-14
2 基于 NAND 闪存的固态存储技术  14-22
  2.1 常用固态存储系统架构方案  14-15
  2.2 NAND 闪存  15-17
  2.3 互连接口与协议  17-19
  2.4 固态盘控制器  19-21
  2.5 本章小结  21-22
3 固态存储系统方案设计  22-40
  3.1 固态存储系统方案架构  22-24
  3.2 驱动程序设计  24-26
  3.3 固态存储卡系统设计  26-39
  3.4 本章小结  39-40
4 闪存转换层优化方案设计  40-62
  4.1 闪存转换层方案  40-45
  4.2 地址映射机制  45-53
  4.3 缓冲区管理策略  53-57
  4.4 垃圾回收算法  57-61
  4.5 本章小结  61-62
5 实验仿真与测试  62-68
  5.1 固态存储系统测试  62-63
  5.2 实验仿真平台  63-65
  5.3 闪存转换层方案仿真与测试  65-67
  5.4 本章小结  67-68
6 总结与展望  68-69
  6.1 全文总结  68
  6.2 课题展望  68-69
致谢  69-70
参考文献  70-73

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