基于NAND閃存的固態(tài)盤關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近半個(gè)世紀(jì)來，隨著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)及芯片加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的CPU性能與IO性能的差距不斷擴(kuò)大。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)IO性能的瓶頸在于硬盤。這些年雖然磁盤容量有了迅速提升，但由于其存在機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，訪問速度提升有限，使得基于硬盤的存儲(chǔ)系統(tǒng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能瓶頸之一。相比于傳統(tǒng)的硬盤，固態(tài)硬盤呈現(xiàn)出許多優(yōu)良的性能：低功耗，讀寫速度快，防震抗摔性好，無噪音，重量輕等，因此固態(tài)硬盤在許多領(lǐng)域已經(jīng)開始替代傳統(tǒng)硬盤。然而，固態(tài)硬盤也繼承閃存

2、的缺點(diǎn)，包括讀寫不對(duì)稱、寫前擦除、有限的擦除次數(shù)等。本文主要研究固態(tài)硬盤設(shè)計(jì)中的緩沖區(qū)管理算法和閃存轉(zhuǎn)換層算法，以減少對(duì)固態(tài)硬盤的寫和擦除次數(shù)。
　　在緩沖區(qū)管理算法設(shè)計(jì)中，本文提出了一種面向頁級(jí)FTL的緩沖區(qū)管理算法——VBBMS（Virtual-Block-based Buffer Management Scheme）。首先，VBBMS將RAM分成隨機(jī)請(qǐng)求處理區(qū)和連續(xù)請(qǐng)求處理區(qū)，分別用來處理隨機(jī)請(qǐng)求和連續(xù)請(qǐng)求；其次，VBBMS

3、采用虛擬塊技術(shù)，盡可能存儲(chǔ)訪問頻率高的數(shù)據(jù)，并且對(duì)隨機(jī)請(qǐng)求進(jìn)行重構(gòu)，將隨機(jī)的、小的請(qǐng)求變成順序的、大的連續(xù)請(qǐng)求發(fā)送給SDFTL，以減少閃存的讀寫次數(shù)和優(yōu)化垃圾回收的效率；最后，連續(xù)請(qǐng)求處理區(qū)通過預(yù)取數(shù)據(jù)，利用請(qǐng)求的空間局部性，增加了緩沖區(qū)的命中率，進(jìn)一步了提升系統(tǒng)的整體性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，平均而言，VBBMS相比BPLRU算法，緩沖區(qū)命中率提高20.92％，響應(yīng)時(shí)間減少23.93%，塊擦除次數(shù)減少13.38%；相比CFLRU算法，緩沖區(qū)

4、命中率提高29.33%，響應(yīng)時(shí)間減少28.09%，塊擦除次數(shù)減少48.77%；相比頁級(jí)LRU算法，緩沖區(qū)命中率提高44.16%，響應(yīng)時(shí)間減少33.70%，塊擦除次數(shù)減少55.75%。
　　在閃存轉(zhuǎn)換層算法設(shè)計(jì)中，本文提出一種基于分類處理的聚簇頁級(jí)閃存轉(zhuǎn)換層算法——CPFTL（Clustered Page-level Flash Translation Layer）。首先，CPFTL將地址映射緩存分為熱映射表緩存、冷映射表緩存和連續(xù)

5、映射表緩存，分別用來緩存訪問頻繁的請(qǐng)求的映射項(xiàng)、訪問不頻繁的請(qǐng)求的映射項(xiàng)和高空間本地性的請(qǐng)求的映射項(xiàng)，有效提升了各類請(qǐng)求的處理能力。其次，為利用連續(xù)請(qǐng)求的空間本地性，CPFTL的連續(xù)映射表緩存預(yù)取多個(gè)連續(xù)的映射項(xiàng)，提高它對(duì)連續(xù)請(qǐng)求的響應(yīng)性能。最后，為減少頁級(jí)映射算法的轉(zhuǎn)換頁讀寫開銷，CPFTL的冷映射表緩存采用聚簇策略，即將屬于同一轉(zhuǎn)換頁中的映射項(xiàng)進(jìn)行聚簇，按簇進(jìn)行LRU管理，當(dāng)冷映射表緩存滿時(shí)，根據(jù)簇的映射項(xiàng)個(gè)數(shù)和LRU選取合適的簇剔