【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,已被廣泛應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、電子產(chǎn)品等各個領(lǐng)域。由于閃存的物理特性,固態(tài)硬盤面臨著寫前擦除、讀寫不對稱、擦除次數(shù)有限等諸多約束。為了降低這些約束對固態(tài)硬盤性能的影響,人們在固態(tài)硬盤中引入緩存技術(shù),使得部分用戶I/O請求在緩存中完成,減少對固態(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,往往忽略了底層閃存芯片的狀態(tài)對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)計了一種基于負(fù)載感知的緩存替換算法,主要研究內(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設(shè)計的,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象。最后,我們在固態(tài)硬盤模擬器上實(shí)現(xiàn)了LCR算法,同時運(yùn)行一系列真實(shí)的trace數(shù)據(jù)進(jìn)行性能驗證。實(shí)驗結(jié)果表明,與兩個比較經(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)面對頻繁更新的小寫請求,造成校驗塊頻繁更新,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,還會降低系統(tǒng)的壽命。為了解決這個問題,本文提出一種基于負(fù)載感知的條帶級別緩存管理算法(Stripe-level Cache Management Algorithm based on Load Awareness),簡稱為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,同時緩存用戶I/O讀寫請求。針對緩存替換策略的設(shè)計,SLCache主要考慮兩點(diǎn),其一,條帶里包含臟數(shù)據(jù)頁的個數(shù);其二,條帶里臟頁數(shù)據(jù)塊和相應(yīng)校驗塊對應(yīng)存儲盤的負(fù)載情況,基于替換代價最小的原則選擇替換對象。同時在數(shù)據(jù)回寫操作中,根據(jù)臟數(shù)據(jù)頁的個數(shù),選擇不同的檢驗塊更新策略。最后我們在trace驅(qū)動的固態(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),同時降低系統(tǒng)平均響應(yīng)時間20.3%以及減少檢驗塊更新的讀開銷16.1%。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：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請求，并向上層用戶返回請求的結(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、閃存存儲控制器以及緩沖區(qū)管理器逡逑三個部件組成。其中，處理器主要是運(yùn)行閃存轉(zhuǎn)換層的的各個功能模塊，完成用逡逑戶的Ｉ／Ｏ請求；閃存存儲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值的Ｉ／Ｏ讀寫請求存儲在緩沖區(qū)逡逑中，在緩沖區(qū)中完成部分用戶Ｉ／Ｏ請求，以減少對底層閃存芯片的讀、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請求，并向上層用戶返回請求的結(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、閃存存儲控制器以及緩沖區(qū)管理器逡逑三個部件組成。其中，處理器主要是運(yùn)行閃存轉(zhuǎn)換層的的各個功能模塊，完成用逡逑戶的Ｉ／Ｏ請求；閃存存儲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值的Ｉ／Ｏ讀寫請求存儲在緩沖區(qū)逡逑中，在緩沖區(qū)中完成部分用戶Ｉ／Ｏ請求，以減少對底層閃存芯片的讀、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)頁被標(biāo)記為無效數(shù)據(jù)頁，若不對這些大量無效的數(shù)據(jù)頁進(jìn)行逡逑處理，勢必會造成存儲資源的浪費(fèi)。為了保證固態(tài)硬盤存儲空間能夠重復(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)硬盤中的可用存儲空間相對較少，即達(dá)到垃圾回收觸發(fā)的條件，系統(tǒng)就會啟逡逑動垃圾回收操作。首先選擇一個包含無效數(shù)據(jù)頁最多的塊作為回收對象，然后將逡逑回收塊中的有效數(shù)據(jù)頁拷貝到新的空閑塊中，最后對回收塊進(jìn)行擦除操作，重新逡逑變?yōu)榭臻e塊，同時更新閃存轉(zhuǎn)換層中的地址映射表。逡逑空閑頁邐有效頁邐無效頁逡逑□邐□V簀義蠈椋懾五義襄危保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)，對某個物理存儲單元的讀寫操作逡逑會對相鄰的存儲單元造成一定的干擾，使得介質(zhì)的存儲狀態(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];計算機(jī)應(yīng)用;2009年02期

本文編號：2752699