本文關(guān)鍵詞：基于超級塊的實時閃存轉(zhuǎn)換層的設(shè)計與研究

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【摘要】：近年來,隨著處理器和內(nèi)存性能的不斷增長,I/O逐漸成為了限制計算機系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸,與此同時,大數(shù)據(jù)時代的到來對計算機系統(tǒng)的I／O訪問速度也提出了更高的要求。為了提高系統(tǒng)的I/O性能,傳統(tǒng)的磁盤做出了諸多改進(jìn),然而受限于其依賴于機械運動實現(xiàn)的事實,訪問延遲得不到根本性的提升,難以突破計算機系統(tǒng)的I/O訪問瓶頸。閃存芯片基于半導(dǎo)體技術(shù)作為新一代的非易失性存儲器,具有低延遲,低功耗,抗震性強的特點,正從嵌入式應(yīng)用中推廣至個人計算機及大規(guī)模數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中以代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁盤來使用。然而閃存芯片的讀寫不對稱,異地更新的限制使其不能直接應(yīng)用在計算機系統(tǒng)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁盤的位置。為了盡可能少對目前的計算機系統(tǒng)進(jìn)行更改,閃存轉(zhuǎn)換層作為文件系統(tǒng)與閃存存儲系統(tǒng)的中間層被提出來掩蓋閃存的相關(guān)特性,從而使得文件系統(tǒng)可以像訪問機械磁盤那樣去訪問閃存。閃存轉(zhuǎn)換層對閃存芯片進(jìn)行統(tǒng)一管理,對閃存的使用性能具有決定性的作用,因此,如何設(shè)計高效的閃存轉(zhuǎn)換層算法,提高閃存存儲系統(tǒng)的利用率和I/0性能意義重大。本文對實時系統(tǒng)中的閃存轉(zhuǎn)換層算法展開研究。閃存轉(zhuǎn)換層作為中間轉(zhuǎn)換層主要包括地址映射,垃圾回收和損耗均衡等功能。其中,地址映射負(fù)責(zé)將文件系統(tǒng)發(fā)出的虛擬邏輯地址映射為閃存存儲系統(tǒng)中的物理地址；垃圾回收由有效頁的拷貝操作和塊擦除操作組成,負(fù)責(zé)將系統(tǒng)中存放無效數(shù)據(jù)的閃存塊擦除后重新利用；而損耗均衡則是為了均衡的使用閃存芯片中的塊,從而延長閃存的使用壽命。本文通過分析閃存轉(zhuǎn)換層垃圾回收過程的工作特點得出通過推遲閃存中的垃圾回收過程,可以減少系統(tǒng)中的有效頁拷貝操作,從而減少垃圾回收的代價,提高閃存的使用效率。本文對實時系統(tǒng)中閃存存儲系統(tǒng)進(jìn)行建模,實現(xiàn)了一種自適應(yīng)的局部垃圾回收策略,并在此基礎(chǔ)上提出兩種實時系統(tǒng)中的閃存轉(zhuǎn)換層算法RAFT和DSFTL。自適應(yīng)局部垃圾回收策略中將垃圾回收的過程將有效頁的拷貝和塊擦除操作分為多步進(jìn)行,根據(jù)閃存系統(tǒng)中塊的使用情況,綜合的使用集中式局部垃圾回收策略和分布式局部垃圾回收策略,盡可能推遲塊擦除操作,從而減少垃圾回收過程中的有效頁拷貝操作,提高系統(tǒng)性能。另外,在兩種閃存轉(zhuǎn)換層算法中,本文采用了一種按需分配的方式進(jìn)行物理空間和邏輯空間的映射,對于經(jīng)常訪問的邏輯塊按需分配多個物理塊,而較少訪問的邏輯塊則分配較少的物理空間,通過這種分配方式,推遲了垃圾回收的觸發(fā)時間。另外DSFTL算法中,根據(jù)系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)訪問特點,進(jìn)行超級塊的合并操作,將冷熱數(shù)據(jù)分別存放在不同的超級塊中,基于不同的超級塊進(jìn)行物理空間的分配,減少垃圾回收過程中的花銷,進(jìn)一步提高了閃存芯片的使用效率。為了對本文所提出的閃存轉(zhuǎn)換層算法進(jìn)行性能評估,本文設(shè)計并開發(fā)了基于閃存存儲系統(tǒng)的仿真平臺。通過一系列的實驗對所提出的算法進(jìn)行評估。在實驗平臺中,對閃存存儲系統(tǒng)的軟硬件部分分別模擬,能夠從訪問時間,讀寫操作,塊擦除操作次數(shù)等多方面對閃存芯片性能進(jìn)行分析。實驗結(jié)果表明,本文提出的算法可以在保證實時系統(tǒng)訪問時間的前提下,降低系統(tǒng)運行過程中垃圾回收的代價,減少有效頁的拷貝和塊擦除操作,提高系統(tǒng)的平均訪問時間。
【關(guān)鍵詞】：實時系統(tǒng) 大數(shù)據(jù) 閃存存儲系統(tǒng) 閃存轉(zhuǎn)換層 垃圾回收
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 中文摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第1章 緒論12-18
• 1.1 課題研究背景及意義12-15
• 1.2 本文的主要工作15-16
• 1.3 論文的組織結(jié)構(gòu)16-18
• 第2章 閃存轉(zhuǎn)換層相關(guān)工作分析18-30
• 2.1 NAND flash存儲結(jié)構(gòu)18-20
• 2.2 閃存轉(zhuǎn)換層簡介20-21
• 2.3 地址映射21-27
• 2.4 垃圾回收27-29
• 2.5 本章小結(jié)29-30
• 第3章 基本概念和模型30-35
• 3.1 基本概念30-32
• 3.2 實時模型建立32-34
• 3.3 本章小結(jié)34-35
• 第4章 閃存轉(zhuǎn)換層算法設(shè)計35-48
• 4.1 自適應(yīng)垃圾回收算法35-36
• 4.2 基于自適應(yīng)垃圾回收算法的實時FTL(RAFTL)36-40
• 4.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動的超級塊實時FTL(DSFTL)40-47
• 4.4 本章小結(jié)47-48
• 第5章 實驗結(jié)果及分析48-60
• 5.1 實驗方法與實驗框架48-50
• 5.2 實驗仿真平臺建立50-52
• 5.3 實驗結(jié)果與分析52-59
• 5.4 本章小結(jié)59-60
• 第6章 結(jié)論與展望60-62
• 參考文獻(xiàn)62-66
• 致謝66-67
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的主要學(xué)術(shù)論文67-68
• 攻讀學(xué)位期間參與科研項目及獲獎情況68-69
• 學(xué)位論文評閱及答辯情況表69

【共引文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

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中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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7 劉慶華;一種日志式閃存文件系統(tǒng)的分析與改進(jìn)[D];華中科技大學(xué);2004年

8 應(yīng)美意;基于DSP和嵌入式技術(shù)的便攜式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷儀研制[D];浙江大學(xué);2005年

9 葛學(xué)峰;嵌入式CRT色度計關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];南京師范大學(xué);2005年

10 段鵬;基于ARM的便攜式轉(zhuǎn)轍機測試儀研制[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

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本文編號：593120