計算機體系結構經(jīng)過長期的發(fā)展,在各方面都取得了長足的進步。在存儲體系結構方面,雖然存儲系統(tǒng)的容量得到了很大的提升,但是不同設備之間的速度差異問題進一步加深,使得存儲子系統(tǒng)成為整個計算機體系發(fā)展的瓶頸之一。NAND閃存的發(fā)明,使得內(nèi)存與底層存儲系統(tǒng)之間速度上的差異性得到了有效的緩解。但是由于NAND閃存固有的缺陷:讀寫開銷差異較大、不支持“原地更新”操作以及擦除次數(shù)有限等特點,嚴重影響了基于閃存的存儲設備的性能、可靠性及使用壽命等。本文以基于NAND的固態(tài)硬盤為研究對象,主要研究基于NAND閃存的緩沖區(qū)管理算法以及垃圾回收算法,以減少對底層NAND閃存的讀、寫、擦除等操作,減少存儲系統(tǒng)對上層請求的響應時間并延長其使用壽命。在基于閃存的緩沖區(qū)替換算法設計中,通過對CF-LRU,LRU-WSR以及ADLRU這些經(jīng)典算法的分析,本文提出了一種局部性感知的緩沖區(qū)替換算法——LLRU。算法將緩沖區(qū)分為四類:冷干凈緩沖區(qū)、冷臟緩沖區(qū)、熱干凈緩沖區(qū)、熱臟緩沖區(qū),同時還利用了數(shù)據(jù)訪問的頻度,從而增加了緩沖區(qū)的利用率。通過以上改進,當緩沖區(qū)容量為4MB時,LLRU比AD-LRU平均命中率提升4.89%,比... 

【文章頁數(shù)】：90 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
1 緒論
    1.1 基于閃存的固態(tài)盤歷史、研究現(xiàn)狀及研究意義
        1.1.1 閃存的發(fā)展歷史
        1.1.2 NAND閃存的固態(tài)硬盤研究現(xiàn)狀
        1.1.3 NAND閃存固態(tài)盤研究意義
    1.2 固態(tài)硬盤的發(fā)展及挑戰(zhàn)
        1.2.1 固態(tài)硬盤的發(fā)展
        1.2.2 固態(tài)硬盤的挑戰(zhàn)
    1.3 本文主要研究工作及其組織結構
2 固態(tài)硬盤的結構特征及設計基礎
    2.1 閃存芯片介紹及固態(tài)硬盤基本架構
        2.1.1 閃存的基本概念及結構
        2.1.2 NAND閃存的基本結構
        2.1.3 固態(tài)硬盤基本架構
    2.2 固態(tài)硬盤中的關鍵技術
        2.2.1 緩沖區(qū)管理策略
        2.2.2 地址映射策略
        2.2.3 垃圾回收策略
        2.2.4 磨損均衡策略
        2.2.5 壞塊管理策略
    2.3 本章小結
3 基于閃存局部性感知的緩沖區(qū)替換算法
    3.1 緩沖區(qū)概述及可感知閃存緩沖區(qū)替換算法
        3.1.1 緩沖區(qū)設計動機
        3.1.2 可感知閃存緩沖區(qū)替換算法
    3.2 局部性感知的緩沖區(qū)替換算法
        3.2.1 LLRU設計動機
        3.2.2 LLRU總體框架
        3.2.3 緩沖區(qū)的分割及分區(qū)動態(tài)變化
        3.2.4 替換頁面以及替換模型以及時間復雜度
    3.3 實驗平臺及評估標準
        3.3.1 實驗平臺及配置
        3.3.2 測試負載及性能評估
    3.4 實驗分析
        3.4.1 總體性能
        3.4.2 緩沖區(qū)命中率
        3.4.3 讀物理閃存次數(shù)
        3.4.4 寫物理閃存次數(shù)
        3.4.5 塊擦除次數(shù)
        3.4.6 系統(tǒng)運行時間
        3.4.7 相關參數(shù)
    3.5 本章小結
4 基于數(shù)據(jù)聚集預處理的垃圾回收算法
    4.1 經(jīng)典的閃存轉換層策略
        4.1.1 FTL設計動機
        4.1.2 經(jīng)典FTL算法介紹
    4.2 FTL中的垃圾回收
        4.2.1 混合映射的垃圾回收
        4.2.2 DFTL中的垃圾回收
    4.3 數(shù)據(jù)聚集預處理的垃圾回收算法
        4.3.1 設計動機
        4.3.2 優(yōu)化策略創(chuàng)新點
        4.3.3 算法流程
    4.4 算法時空復雜度分析
        4.4.1 算法時間復雜度分析
        4.4.2 算法空間復雜度分析
    4.5 性能評估與結果分析
        4.5.1 實驗平臺及配置
        4.5.2 實驗負載分析及性能評估
        4.5.3 算法總體性能比較
        4.5.4 寫入放大值分析
        4.5.5 垃圾回收分析
        4.5.6 塊擦除次數(shù)分析
        4.5.7 HW_Threshold閾值分析
    4.6 本章小結
5 總結與展望
    5.1 主要成果
    5.2 下一步研究與展望
致謝
參考文獻
附錄
詳細摘要


【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種基于分類策略的聚簇頁級閃存轉換層算法[J]. 姚英彪,杜晨杰,王發(fā)寬.  計算機研究與發(fā)展. 2017(01)
[2]基于連續(xù)緩存和二級緩存的DFTL改進算法[J]. 姚英彪,沈佐兵.  計算機研究與發(fā)展. 2014(09)
[3]一種優(yōu)化的閃存地址映射方法[J]. 張琦,王林章,張?zhí)?邵子立.  軟件學報. 2014(02)

博士論文
[1]高性能固態(tài)盤的多級并行性及算法研究[D]. 胡洋.華中科技大學 2012

碩士論文
[1]面向固態(tài)硬盤應用的高速閃存映射層的設計和研究[D]. 鄒宏飛.清華大學 2014



本文編號：3665324