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基于缓冲检测器的固态硬盘控制器的设计与仿真

作　者: 周鸿
导　师: 付宇卓
学　校: 上海交通大学
专　业: 计算机系统结构
关键词: 固态硬盘 闪存转换层 检测缓冲器 可选择多通道并行写入技术 系统平均写响应时间 写放大倍数
分类号: TP333.35
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


由于Flash Memory改写前须先擦除、擦除时间较长、擦除次数有限的固有特点,使得基于闪存的固态硬盘不能直接用于像磁盘那样的文件系统,因此固态硬盘通常需要设计地址映射、垃圾回收策略和磨损均衡等算法。本文设计了一种基于检测缓冲器的固态硬盘控制器(BDB SSD),以地址映射和垃圾回收为研究重点。由于随机数据的写性能是固态硬盘性能的瓶颈,本文提出了一种称为检测缓冲器的硬件结构(Buffer-Detector),能准确鉴别访问数据的连续性和随机性。Buffer-Detector也用于分别对连续性数据和随机性数据做缓存,针对不同特征的数据,本文采用了不同的地址映射算法,针对连续性数据提出连续性页映射算法,而对随机性数据采用与基本页映射机制类似的随机性页映射算法。在存储映射信息上采用了DFTL提出的缓存映射信息表(CMT)的方法。为提高随机性数据的写性能,本文提出了“可选择多通道并行写入技术”,将随机性数据并行写入到当前可以使用的通道中。在垃圾回收策略上,本文提出了操作上具有优先级别的三级回收策略,分别以类似于交换合并、部分合并和全合并为主。通过一系列Trace的实验,可以得出本文的设计在数据系统平均写响应时间上有一定较高的提高,尤其是以随机性访问数据为主的Financial Trace上的提升达到近20%。实验结果也显示了本文的算法在垃圾回收上有更小的开销和更低的写入放大(WA)。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-12
第一章 绪论  12-23
  1.1 存储技术分类与概述  12-13
  1.2 固态硬盘简介  13-14
    1.2.1 固态硬盘简介  13
    1.2.2 固态硬盘与普通硬盘的优缺点比较  13-14
    1.2.3 固态硬盘的分类  14
  1.3 Flash Memory 存储技术  14-20
    1.3.1 Flash Memory 存储技术的发展  14-15
    1.3.2 Flash Memory 存储技术的基本原理  15-17
    1.3.3 NOR Flash 技术和NAND Flash 技术  17-18
    1.3.4 SLC Flash 技术和MLC Flash 技术  18-19
    1.3.5 NAND Flash Memory 及其芯片阵列结构  19-20
  1.4 课题研究内容及贡献  20-21
  1.5 论文结构  21-22
  1.6 本章小结  22-23
第二章 基于NAND FLASH 闪存的固态硬盘的关键技术  23-40
  2.1 基于NAND 的闪存固态硬盘的层次结构  23-24
  2.2 基于NAND 的固态硬盘的关键技术  24-33
    2.2.1 闪存转换层与地址映射  24-29
    2.2.2 垃圾回收简介  29-32
    2.2.3 磨损均衡  32-33
  2.3 FTL 算法综述  33-39
    2.3.1 替代块策略  33-34
    2.3.2 BAST 策略  34-35
    2.3.3 全关联的映射机制（FAST）和超级块策略（Super Block Scheme）  35-36
    2.3.4 基于需求的cache 页映射转换层（DFTL）与CFTL  36-37
    2.3.5 对数据局部性敏感的地址映射算法（LAST）  37-38
    2.3.6 现有算法的总结  38-39
  2.4 本章小结  39-40
第三章 基于检测缓冲器的SSD 控制器的设计和实现  40-67
  3.1 系统整体结构  40-46
    3.1.1 系统结构简介  40-41
    3.1.2 读流程及系统读响应时间分析  41-43
    3.1.3 写流程及系统写响应时间分析  43-46
  3.2 Buffer-Detector 的设计  46-50
    3.2.1 Buffer-Detector 硬件结构  46-47
    3.2.2 Buffer-Detector 的实现功能及工作流程  47-50
  3.3 Cache Mapping Table 信息缓存策略  50-53
  3.4 BDB FTL 地址映射方法  53-55
    3.4.1 连续性页地址映射方法  53-54
    3.4.2 随机性页地址映射方法  54-55
  3.5 可选择的多通道并行写入技术  55-60
    3.5.1 设计理论分析、硬件示意图  55-57
    3.5.2 具体实现思想和实现流程  57-60
  3.6 垃圾回收策略  60-65
    3.6.1 垃圾回收的时机  60
    3.6.2 垃圾回收的算法实现  60-65
  3.7 本章小结  65-67
第四章 性能评估及实验仿真  67-84
  4.1 仿真器与实验平台  67-70
    4.1.1 FlashSim 的结构、特点、功能介绍  67-68
    4.1.2 实验Trace 简介  68-69
    4.1.3 实验参数设置  69-70
  4.2 重要性能评价、性能分析和实验数据结果  70-82
    4.2.1 读响应时间（Read Response Time）  70-71
    4.2.2 写响应时间（Write Response Time）  71-77
    4.2.3 写放大（WA）  77-80
    4.2.4 垃圾回收的开销（Garbage Collection Overheads）  80-82
  4.3 本章小结  82-84
第五章 结束语  84-87
  5.1 主要工作与创新点  84-85
  5.2 工作不足及后续研究工作  85-87
参考文献  87-91
附录1 系统C++类之间的依赖关系  91-92
附录2 垃圾回收前后SSD 小部分存储空间上数据分布情况  92-93
附录 3 垃圾回收前后 SSD 小部分存储空间上数据分布情况  93-94
致谢  94-96
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  96-98

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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 > 磁存贮器及其驱动器 > 磁盘存贮器
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