【摘要】：近年來,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,基于閃存的固態(tài)硬盤在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界受到廣泛地關(guān)注與研究。與傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤相比,固態(tài)硬盤具有訪問速度快、能耗低、噪音小、抗震性好等優(yōu)勢(shì),已被廣泛應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、電子產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域。由于閃存的物理特性,固態(tài)硬盤面臨著寫前擦除、讀寫不對(duì)稱、擦除次數(shù)有限等諸多約束。為了降低這些約束對(duì)固態(tài)硬盤性能的影響,人們?cè)诠虘B(tài)硬盤中引入緩存技術(shù),使得部分用戶I/O請(qǐng)求在緩存中完成,減少對(duì)固態(tài)硬盤的讀寫操作,從而提升固態(tài)硬盤的I/O性能。目前,緩存管理算法已成為固態(tài)硬盤研究的熱點(diǎn)問題。傳統(tǒng)的固態(tài)硬盤緩存管理算法,旨在提高緩存命中率或者減小緩存替換代價(jià),往往忽略了底層閃存芯片的狀態(tài)對(duì)緩存算法性能的影響。本文主要優(yōu)化緩存管理算法中的替換策略,結(jié)合底層閃存芯片的負(fù)載特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于負(fù)載感知的緩存替換算法,主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)基于負(fù)載感知的固態(tài)硬盤緩存策略優(yōu)化為了降低固態(tài)硬盤底層閃存芯片負(fù)載不均衡對(duì)I/O訪問延遲的影響,本文提出一種基于負(fù)載感知的緩存替換算法(Load-aware Cache Replacement,LCR),LCR算法是基于緩存替換代價(jià)設(shè)計(jì)的,主要約束條件是底層閃存芯片的負(fù)載情況。基本思想是優(yōu)先緩存負(fù)載嚴(yán)重的芯片上的數(shù)據(jù)塊,替換負(fù)載輕的芯片上的數(shù)據(jù)塊。LCR算法將緩存區(qū)分為工作區(qū)(Working Region)和回寫區(qū)(Destaging Region),其中訪問頻度比較高的數(shù)據(jù)塊緩存在工作區(qū)中,回寫區(qū)緩存的數(shù)據(jù)塊是替換操作的候選對(duì)象。最后,我們?cè)诠虘B(tài)硬盤模擬器上實(shí)現(xiàn)了LCR算法,同時(shí)運(yùn)行一系列真實(shí)的trace數(shù)據(jù)進(jìn)行性能驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與兩個(gè)比較經(jīng)典的緩存替換算法LRU以及GCaR-CFLRU相比,LCR算法可降低系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間分別為39.2%和12.3%。(2)基于負(fù)載感知的固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)緩存策略優(yōu)化基于固態(tài)硬盤的RAID5陣列系統(tǒng)面對(duì)頻繁更新的小寫請(qǐng)求,造成校驗(yàn)塊頻繁更新,引起系統(tǒng)額外的I/O讀、寫操作,不僅增大系統(tǒng)訪問延遲,還會(huì)降低系統(tǒng)的壽命。為了解決這個(gè)問題,本文提出一種基于負(fù)載感知的條帶級(jí)別緩存管理算法(Stripe-level Cache Management Algorithm based on Load Awareness),簡(jiǎn)稱為SLCache,該算法的緩存粒度以條帶為單位,將屬于同一條帶的數(shù)據(jù)存放在相同的條帶節(jié)點(diǎn)中,同時(shí)緩存用戶I/O讀寫請(qǐng)求。針對(duì)緩存替換策略的設(shè)計(jì),SLCache主要考慮兩點(diǎn),其一,條帶里包含臟數(shù)據(jù)頁(yè)的個(gè)數(shù);其二,條帶里臟頁(yè)數(shù)據(jù)塊和相應(yīng)校驗(yàn)塊對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)盤的負(fù)載情況,基于替換代價(jià)最小的原則選擇替換對(duì)象。同時(shí)在數(shù)據(jù)回寫操作中,根據(jù)臟數(shù)據(jù)頁(yè)的個(gè)數(shù),選擇不同的檢驗(yàn)塊更新策略。最后我們?cè)趖race驅(qū)動(dòng)的固態(tài)硬盤模擬器Disksim+SSD Extension上實(shí)現(xiàn)了SLCache算法,與LRU-RAID5相比,我們的做法可減少15.9%的擦除次數(shù),同時(shí)降低系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間20.3%以及減少檢驗(yàn)塊更新的讀開銷16.1%。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP333
【圖文】：

２．１．２固態(tài)硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)逡逑基于閃存的固態(tài)硬盤其內(nèi)部模塊主要由主機(jī)接口邏輯、控制器、緩沖區(qū)管理逡逑模塊、閃存轉(zhuǎn)換層ＦＴＬ以及閃存芯片等組成，整體邏輯架構(gòu)如圖２．１所示［３４］。逡逑（ＳＳＤ邋Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ邐Ｉ邋Ｆｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ邋１１邋Ｆｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ邋－逡逑邐（邐Ｃｈａｎｅｌ邋０邋ｔ邋１邋ｔ邋ｎ逡逑ＴＴ＾ｃｔ邋叫邋Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ邋一邋，邐邐邋邐逡逑Ｈｏｓｔ邋Ｔ邋．邐＾￣Ｆｌａｓｈ邐…Ｆｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ邋Ｆｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ邋…逡逑Ｄｅｍｕｘ邋總—ｌｉ－．．ｔｔ逡逑＇邋Ｌ0ｇ邋Ｃ邋Ｈ邋Ｂｕｆｆｅｒ邋＾邋／Ｍｕｘ邐｜邋Ｆｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ｜邋＾ｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ邋－逡逑Ｍａｎａｇｅｒ邋邐邋＜Ｃｈａｎｅｌ邋ｎ邐ｔ邐ｔ逡逑圖２．１固態(tài)硬盤的邏輯架構(gòu)逡逑主機(jī)接口邏輯：主機(jī)接口邏輯向上屏蔽固態(tài)硬盤的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，主要負(fù)責(zé)逡逑接收上層應(yīng)用或文件系統(tǒng)的Ｉ／Ｏ請(qǐng)求，并向上層用戶返回請(qǐng)求的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)固態(tài)逡逑硬盤和主機(jī)之間無障礙通信。逡逑固態(tài)硬盤控制器：控制器主要由處理器、閃存存儲(chǔ)控制器以及緩沖區(qū)管理器逡逑三個(gè)部件組成。其中，處理器主要是運(yùn)行閃存轉(zhuǎn)換層的的各個(gè)功能模塊，完成用逡逑戶的Ｉ／Ｏ請(qǐng)求；閃存存儲(chǔ)控制器主要是連接閃存芯片和控制器，實(shí)現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)逡逑的傳輸；而緩沖區(qū)管理器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)置緩存的管理。逡逑緩沖區(qū)管理模塊：它的作用主要是將有價(jià)值的Ｉ／Ｏ讀寫請(qǐng)求存儲(chǔ)在緩沖區(qū)逡逑中，在緩沖區(qū)中完成部分用戶Ｉ／Ｏ請(qǐng)求，以減少對(duì)底層閃存芯片的讀、寫操作，逡逑這樣不僅能提升系統(tǒng)的訪問性能，還能夠延長(zhǎng)固態(tài)硬盤的使用壽命。逡逑閃存轉(zhuǎn)換層：ＦＴＬ是固態(tài)硬盤內(nèi)部最核心的功能模塊

２．１．２固態(tài)硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)逡逑基于閃存的固態(tài)硬盤其內(nèi)部模塊主要由主機(jī)接口邏輯、控制器、緩沖區(qū)管理逡逑模塊、閃存轉(zhuǎn)換層ＦＴＬ以及閃存芯片等組成，整體邏輯架構(gòu)如圖２．１所示［３４］。逡逑（ＳＳＤ邋Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ邐Ｉ邋Ｆｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ邋１１邋Ｆｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ邋－逡逑邐（邐Ｃｈａｎｅｌ邋０邋ｔ邋１邋ｔ邋ｎ逡逑ＴＴ＾ｃｔ邋叫邋Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ邋一邋，邐邐邋邐逡逑Ｈｏｓｔ邋Ｔ邋．邐＾￣Ｆｌａｓｈ邐…Ｆｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ邋Ｆｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ邋…逡逑Ｄｅｍｕｘ邋總—ｌｉ－．．ｔｔ逡逑＇邋Ｌ0ｇ邋Ｃ邋Ｈ邋Ｂｕｆｆｅｒ邋＾邋／Ｍｕｘ邐｜邋Ｆｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ｜邋＾ｌａｓｈ邋Ｃｈｉｐ邋－逡逑Ｍａｎａｇｅｒ邋邐邋＜Ｃｈａｎｅｌ邋ｎ邐ｔ邐ｔ逡逑圖２．１固態(tài)硬盤的邏輯架構(gòu)逡逑主機(jī)接口邏輯：主機(jī)接口邏輯向上屏蔽固態(tài)硬盤的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，主要負(fù)責(zé)逡逑接收上層應(yīng)用或文件系統(tǒng)的Ｉ／Ｏ請(qǐng)求，并向上層用戶返回請(qǐng)求的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)固態(tài)逡逑硬盤和主機(jī)之間無障礙通信。逡逑固態(tài)硬盤控制器：控制器主要由處理器、閃存存儲(chǔ)控制器以及緩沖區(qū)管理器逡逑三個(gè)部件組成。其中，處理器主要是運(yùn)行閃存轉(zhuǎn)換層的的各個(gè)功能模塊，完成用逡逑戶的Ｉ／Ｏ請(qǐng)求；閃存存儲(chǔ)控制器主要是連接閃存芯片和控制器，實(shí)現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)逡逑的傳輸；而緩沖區(qū)管理器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)置緩存的管理。逡逑緩沖區(qū)管理模塊：它的作用主要是將有價(jià)值的Ｉ／Ｏ讀寫請(qǐng)求存儲(chǔ)在緩沖區(qū)逡逑中，在緩沖區(qū)中完成部分用戶Ｉ／Ｏ請(qǐng)求，以減少對(duì)底層閃存芯片的讀、寫操作，逡逑這樣不僅能提升系統(tǒng)的訪問性能，還能夠延長(zhǎng)固態(tài)硬盤的使用壽命。逡逑閃存轉(zhuǎn)換層：ＦＴＬ是固態(tài)硬盤內(nèi)部最核心的功能模塊

來越多的原始數(shù)據(jù)頁(yè)被標(biāo)記為無效數(shù)據(jù)頁(yè)，若不對(duì)這些大量無效的數(shù)據(jù)頁(yè)進(jìn)行逡逑處理，勢(shì)必會(huì)造成存儲(chǔ)資源的浪費(fèi)。為了保證固態(tài)硬盤存儲(chǔ)空間能夠重復(fù)有效地逡逑利用，必須引入垃圾回收機(jī)制。固態(tài)硬盤垃圾回收的具體操作如圖２．３所示：當(dāng)逡逑固態(tài)硬盤中的可用存儲(chǔ)空間相對(duì)較少，即達(dá)到垃圾回收觸發(fā)的條件，系統(tǒng)就會(huì)啟逡逑動(dòng)垃圾回收操作。首先選擇一個(gè)包含無效數(shù)據(jù)頁(yè)最多的塊作為回收對(duì)象，然后將逡逑回收塊中的有效數(shù)據(jù)頁(yè)拷貝到新的空閑塊中，最后對(duì)回收塊進(jìn)行擦除操作，重新逡逑變?yōu)榭臻e塊，同時(shí)更新閃存轉(zhuǎn)換層中的地址映射表。逡逑空閑頁(yè)邐有效頁(yè)邐無效頁(yè)逡逑□邐□V簀義蠈�，硲匚辶x襄危保袣W邋＿拷邐邐逡逑邐貝到空閑塊中邐邋邐逡逑垃圾回收的目標(biāo)塊逡逑圖２．３固態(tài)硬盤的垃圾回收操作逡逑由于閃存芯片上的電荷穩(wěn)定性不是太強(qiáng)，對(duì)某個(gè)物理存儲(chǔ)單元的讀寫操作逡逑會(huì)對(duì)相鄰的存儲(chǔ)單元造成一定的干擾，使得介質(zhì)的存儲(chǔ)狀態(tài)從１變?yōu)椋盎驈模白冨义蠟椋?

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 劉冬;王麗芳;蔣澤軍;劉志強(qiáng);;RAID小數(shù)據(jù)隨機(jī)訪問性能分析與優(yōu)化[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2009年02期

本文編號(hào)：2752699