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基于NAND闪存的固态盘关键技术研究

作　者: 徐凯
导　师: 刘光明
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 固态盘 闪存转换层 Cache替换策略 磨损均衡
分类号: TP333
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 160次
引　用: 2次
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内容摘要


随着用户对数据访问需求的增长,传统的外部存储系统的结构以及磁盘的I/O延时限制了存储系统的性能。为能满足高性能海量数据存储的需要,新的存储设备应运而生。基于NAND闪存的固态盘凭借其非易失性、访问速度快、可靠性高及低功耗等诸多优点,能较好缓解I/O性能瓶颈问题,逐渐成为研究热点。但是写前擦除特性和有限的擦除次数严重影响了固态盘的性能和可靠性。本文研究了基于闪存固态盘的技术特性和内部组成结构,对闪存型固态盘的部分关键技术进行了改进。本文的研究工作主要包括以下几个方面:(1)研究了闪存型固态盘的基本原理、组成结构和关键实现技术;(2)基于Disksim模拟器设计实现了SCSI接口和闪存接口;(3)研究了闪存型固态盘的Cache工作原理,重点讨论了Cache替换策略。通过分析CFLRU替换策略的缺陷,提出了CFLRU/AF-E策略,对页被访问频率和磨损均衡进行综合考虑,有效地提高了Cache命中率,减少了回写次数,获得了较好好的磨损均衡度。然后设计实验从Cache命中率、总回写次数、总运行时间和磨损均衡度四个角度对CFLRU/AF-E策略和CFLRU策略进行对比分析;(4)针对闪存重写前擦除带来的磨损问题,先分析了Dual-Pool磨损均衡算法优缺点,提出了Advanced Dual-Pool算法,改进了其在垃圾回收上的不足,在不影响磨损均衡处理效果的前提下提高了垃圾回收效率。通过实验模拟,证明了Advanced Dual-Pool算法较于Dual-Pool算法,在磨损均衡处理上性能相近,但垃圾回收效率却得到较大提高;(5)设计了一种闪存转换层策略。从分析BAST策略和FAST策略存在的缺陷入手,结合它们的优点,提出了混合FTL策略,综合了对数据块冷热属性的考虑,解决了FAST在空闲日志块耗尽时性能低下的问题,有效地提高了写性能。通过实验模拟,证明了混合FTL策略相对于BAST策略和FAST策略在整体性能上有较大提升,而且能够有效地减少由FTL策略引起的擦除操作次数。综上所述,本文主要从固态盘的Cache技术、磨损均衡和闪存转换层策略三个方面进行研究,改进后的CFLRU/AF-E策略提高了Cache命中率,减少了回写次数,改善了写性能;提出的Advanced Dual-Pool算法获取了较高的回收效率;而混合FTL策略结合了BAST策略和FAST策略的优点,有效地提高了写性能。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章 绪论  12-17
  1.1 课题研究背景  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-15
  1.3 课题主要工作  15-16
  1.4 论文组织结构  16-17
第二章 基于NAND 闪存的固态盘关键技术研究  17-26
  2.1 闪存型固态盘的技术特性和组成结构  17-20
    2.1.1 技术特性  18
    2.1.2 组成结构  18-20
  2.2 闪存型固态盘的关键技术  20-26
    2.2.1 地址映射技术  20-22
    2.2.2 闪存转换层FTL  22-24
    2.2.3 可靠性分析  24-26
第三章 固态盘的Cache 替换策略  26-36
  3.1 Cache 工作原理  26-28
  3.2 Cache 替换策略  28-31
  3.3 CFLRU/AF-E 策略  31-35
    3.3.1 Clean Page 的LRU 链表  31-32
    3.3.2 AF-E 策略的基本原理  32-33
    3.3.3 CFLRU/AF-E 策略的实现  33-34
    3.3.4 CFLRU/AF-E 策略性能分析  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第四章 固态盘的磨损均衡分析  36-47
  4.1 磨损均衡算法  36-39
    4.1.1 随机性磨损均衡算法  36-37
    4.1.2 确定性磨损均衡算法  37-38
    4.1.3 算法对比分析  38-39
  4.2 Dual-Pool 算法  39-43
  4.3 Advanced Dual-Pool 算法  43-46
    4.3.1 IO 负载特性预测  43-44
    4.3.2 垃圾回收机制  44-46
  4.4 本章小结  46-47
第五章 固态盘的闪存转换层策略  47-53
  5.1 闪存转换层策略  47-49
    5.1.1 BAST 策略  47-48
    5.1.2 FAST 策略  48-49
  5.2 混合FTL 策略  49-52
    5.2.1 日志块管理机制  49-50
    5.2.2 地址映射表的维护  50-51
    5.2.3 混合FTL 策略的实现  51-52
  5.3 本章小结  52-53
第六章 实验模拟和结果分析  53-76
  6.1 实验平台的构建  53-65
    6.1.1 控制器的工作过程  53-56
    6.1.2 主机接口的实现  56-61
    6.1.3 闪存接口的实现  61-65
  6.2 性能测试和结果分析  65-76
    6.2.1 Cache 替换策略的实验模拟  65-69
    6.2.2 磨损均衡算法的实验模拟  69-71
    6.2.3 闪存转换层策略的实验模拟  71-76
结束语  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-81
作者在学期间取得的学术成果  81

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 电子数字计算机（不连续作用电子计算机） > 存贮器
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