隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)越來(lái)越多地在控制類、消費(fèi)類、通訊類等電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。Flash具有低成本、容量大、非易失、抗震蕩等優(yōu)點(diǎn),在目前的嵌入式系統(tǒng)中被廣泛用作外存儲(chǔ)器件。隨著Flash技術(shù)的成熟與容量的增加,如何高效的管理基于Flash存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)系統(tǒng)并延長(zhǎng)Flash存儲(chǔ)器預(yù)期壽命的問(wèn)題正成為制約Flash存儲(chǔ)器發(fā)展和應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。UBIFS提供了靈活高效的損耗均衡機(jī)制,在UBIFS機(jī)制下研究高性能的Flash存儲(chǔ)器損耗均衡算法,對(duì)于延長(zhǎng)Flash存儲(chǔ)器的預(yù)期壽命,具有重要意義。 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的Flash文件系統(tǒng)主要存在物理擦除塊擦除次數(shù)的均衡程度不夠理想;在實(shí)現(xiàn)損耗均衡的過(guò)程中,部分算法增加了較多的擦除操作等方面的不足。針對(duì)這些不足,本文研究的主要目的是提出一種基于UBIFS的綜合考慮Flash可用空間和系統(tǒng)I/O負(fù)載的自調(diào)節(jié)損耗均衡算法來(lái)提高Flash文件系統(tǒng)損耗均衡性能和I/O性能。 本文首先介紹課題研究的背景與意義,國(guó)內(nèi)外損耗均衡算法的研究現(xiàn)狀和本文的主要工作。其次,分析了Flash的相關(guān)理論,包括Flash存儲(chǔ)器的相關(guān)技術(shù)以及Flash設(shè)備的硬件特性,并對(duì)多種Flash文件系統(tǒng)進(jìn)行了分析。此外,還分析了結(jié)構(gòu)化日志文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法以及其優(yōu)點(diǎn)和不足,并以JFFS2為例分析結(jié)構(gòu)化日志Flash文件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),包括損耗均衡算法、垃圾回收算法以及文件數(shù)據(jù)屬性對(duì)損耗均衡和垃圾回收算法設(shè)計(jì)的影響,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)JFFS2加載時(shí)間和損耗均衡算法的分析。最后,基于UBIFS損耗均衡算法的實(shí)現(xiàn)。分析了UBIFS文件系統(tǒng)中的擦除塊的組織與管理特點(diǎn),以及保護(hù)機(jī)制和損耗均衡觸發(fā)條件,在此基礎(chǔ)上給出了UBIFS中損耗均衡的實(shí)現(xiàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析損耗均衡條件對(duì)系統(tǒng)I/O性能的影響。在UBI系統(tǒng)框架內(nèi)提出一個(gè)綜合考慮Flash可用空間和系統(tǒng)I/O負(fù)載的自調(diào)節(jié)的損耗均衡算法,新算法對(duì)Flash文件系統(tǒng)損耗均衡性能和I/O性能的提升通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2009
【中圖分類】：TP333
【部分圖文】：

圖 2.2 K9F1208x0C 存儲(chǔ)陣列Fig2.2 K9F1208x0C storage array.1.3 NAND FLASH 技術(shù)特點(diǎn)NAND Flash 技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①Flash 存儲(chǔ)器存在三種基本操作：讀、寫(xiě)和擦除。Flash 存儲(chǔ)器中的每個(gè)始為 1，通過(guò)寫(xiě)入（編程）操作變?yōu)?0，NOR Flash 可以以 bit 為單位讀取和編ND Flash 則必須以頁(yè)面（Page）為單位讀取和編程，主流的 NAND Flash 的大小為 512B 或 2048B。Flash 必須通過(guò)擦除操作才可以將一個(gè) bit 從 0 恢復(fù)為除操作必須以擦除塊為單位進(jìn)行，而擦除塊的大小通常遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)塊設(shè)備2B，NOR Flash 的典型擦除塊大小為 64KB 或 128KB，NAND Flash 的典型擦大小為 8KB~32KB。擦除塊的一次編程/擦除操作被稱為 Flash 擦除塊的一次周期，F(xiàn)lash 的使用壽命一般有限，NOR Flash 的壽命一般為 10 萬(wàn)次使用周ND Flash 的壽命一般為 100 萬(wàn)次使用周期[19]。②Flash在使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)壞塊，即某些擦除塊變得無(wú)法正常使用。N

圖 2.7 Flash 轉(zhuǎn)換層中虛擬扇區(qū)到物理扇區(qū)的映射Fig2.7 The mapping from virtual sector to physical sector in FTLFlash 轉(zhuǎn)換層通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬扇區(qū)號(hào)到物理擦除塊的映射關(guān)系，來(lái)保證文件系統(tǒng)內(nèi)頻繁更新的數(shù)據(jù)所在的虛擬扇區(qū)號(hào)會(huì)被動(dòng)態(tài)映射到不同的物理擦除塊，從而實(shí)現(xiàn)損耗均衡，旨在向上層提供一個(gè)傳統(tǒng)塊設(shè)備的邏輯映像。類似的 Flash 轉(zhuǎn)換層在檢測(cè)到壞塊后會(huì)調(diào)整虛擬扇區(qū)到物理擦除塊的映射關(guān)系使得虛擬扇區(qū)不會(huì)被映射到壞塊的物理擦除塊中，從而屏蔽了壞塊。最早的 Flash 轉(zhuǎn)換層標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)NOR Flash 提出的，后來(lái)針對(duì) NAND Flash 提出了 NAND Flash 轉(zhuǎn)換層（NFTL，NAND Flash Translation Layer）。基于Flash轉(zhuǎn)換層規(guī)范的Flash文件系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：現(xiàn)有的文件系統(tǒng)如FAT文件系統(tǒng)可以不加修改直接運(yùn)行在 Flash 轉(zhuǎn)換層模擬出的虛擬塊設(shè)備上；其不足主要是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，由于文件系統(tǒng)和 Flash 設(shè)備之間有 Flash 轉(zhuǎn)換層，需要付出存儲(chǔ)空間和內(nèi)存占用等開(kāi)銷，另外在可靠性方面，F(xiàn)lash 轉(zhuǎn)換層需要保證映射關(guān)系的可靠性，而上層的文件系統(tǒng)為了保證可靠性可能仍會(huì)采用日志等方法，從而導(dǎo)致不必要的開(kāi)銷。由于 Flash 轉(zhuǎn)換層屬于商業(yè)公司的專利，主要在 TrueFFS 等

會(huì)由于日志的追加寫(xiě)操作耗盡，文件系統(tǒng)必須通過(guò)回收無(wú)效數(shù)據(jù)占用的空間來(lái)滿足寫(xiě)操作請(qǐng)求。結(jié)構(gòu)化日志文件系統(tǒng)的另外一個(gè)問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的數(shù)據(jù)尋址。在傳統(tǒng)的 Unix-like 磁盤文件系統(tǒng)中，一個(gè)文件的 inode 等元數(shù)據(jù)在其生命周期內(nèi)的存儲(chǔ)位置不會(huì)變化，對(duì)文件的數(shù)據(jù)尋址較為簡(jiǎn)單。而結(jié)構(gòu)化日志文件系統(tǒng)采用異地更新，每次更新都會(huì)將新的元數(shù)據(jù)追加寫(xiě)入日志尾部，因此結(jié)構(gòu)化日志文件系統(tǒng)一般采用 inode 映射塊等方法記錄最新有效的 inode 的存儲(chǔ)位置。以 Spirit-LFS 的實(shí)現(xiàn)為例，圖 3.1 是結(jié)構(gòu)化日志文件系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 Unix FFS 創(chuàng)建兩個(gè)大小為一個(gè)磁盤塊的文件的過(guò)程：
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本文編號(hào)：2872874