本文關(guān)鍵詞：基于YAFFS2文件系統(tǒng)的NAND Flash存儲(chǔ)管理關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：隨著存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展,NAND Flash(NAND閃存)由于具有存儲(chǔ)密度高、I/O性能好、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車工業(yè)、航空航天等諸多領(lǐng)域,并可能取代磁盤(pán)成為下一代主流存儲(chǔ)介質(zhì)。閃存存儲(chǔ)管理技術(shù)的發(fā)展對(duì)充分發(fā)揮閃存硬件優(yōu)勢(shì),有效提高系統(tǒng)I/O性能具有至關(guān)重要的作用。隨著閃存應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大,一些新的應(yīng)用環(huán)境對(duì)閃存存儲(chǔ)管理系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求。本文在深入分析典型閃存文件系統(tǒng)YAFFS2存儲(chǔ)原理的基礎(chǔ)上,對(duì)其在存儲(chǔ)管理方面存在的:兩級(jí)垃圾回收模式導(dǎo)致的I/O性能波動(dòng)、動(dòng)態(tài)磨損均衡策略的局限性以及元數(shù)據(jù)同步更新機(jī)制引起的性能損失等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究,對(duì)YAFFS2的存儲(chǔ)管理性能進(jìn)行了針對(duì)性地優(yōu)化和加固,以使其可以較好地適應(yīng)更復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。本文的主要研究工作和學(xué)術(shù)成果如下:(1)分析了閃存存儲(chǔ)管理技術(shù)的現(xiàn)狀,指出了基于閃存轉(zhuǎn)換層管理機(jī)制的不足,通過(guò)比較三種閃存文件系統(tǒng)總結(jié)了YAFFS2的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。在源代碼層面對(duì)YAFFS2文件系統(tǒng)的主要存儲(chǔ)管理原理進(jìn)行了細(xì)致分析,主要包括:主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、文件索引結(jié)構(gòu)、基本文件操作、垃圾回收算法,空間分配機(jī)制、啟動(dòng)掃描過(guò)程等幾個(gè)方面。指出了YAFFS2在垃圾回收算法和磨損均衡機(jī)制等方面的不足。(2)提出了一種基于預(yù)搜索的自適應(yīng)垃圾回收算法。針對(duì)閃存空間使用率較高時(shí),YAFFS2兩級(jí)垃圾模式導(dǎo)致的I/O性能急劇下降的問(wèn)題,算法采用重疊式的區(qū)段搜索方式和動(dòng)態(tài)的有效頁(yè)閾值加強(qiáng)了對(duì)較臟塊集中區(qū)域的回收,將回收工作主要集中在被動(dòng)模式中完成;針對(duì)在回收過(guò)程中兼顧磨損均衡將導(dǎo)致寫(xiě)性能下降的問(wèn)題,設(shè)定兩種回收目標(biāo)塊選擇策略,根據(jù)預(yù)搜索確定的最小平均回收開(kāi)銷自適應(yīng)地選擇不同的策略查找合適的臟塊進(jìn)行回收。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:算法可有效減少主動(dòng)模式的回收次數(shù),提高了文件系統(tǒng)的吞吐量,同時(shí)對(duì)磨損均衡度進(jìn)行了一定控制。(3)針對(duì)文件系統(tǒng)磨損均衡策略存在的局部均衡問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于塊擦除信息的靜態(tài)磨損均衡算法。算法首先將閃存塊從邏輯上劃分為空閑塊組和非空閑塊組,依據(jù)當(dāng)前閃存的磨損不均衡程度,對(duì)非空閑塊組中的“冷”數(shù)據(jù)采取遷移操作,對(duì)空閑塊組中的塊采取合理的分配策略,以減緩最大擦除次數(shù)的增長(zhǎng)速度;利用空閑閃存塊擦除次數(shù)在物理空間上分布的隨機(jī)性建立概率模型,簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和磨損均衡兩種情況下的空閑塊分配方法;采用不均衡度閾值作為算法觸發(fā)條件,確保閃存磨損均衡度維持在一個(gè)確定值附近。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:算法加強(qiáng)了對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)的處理,實(shí)現(xiàn)了一定程度的全局均衡,較明顯地改善了閃存的磨損均衡度,進(jìn)而有效延長(zhǎng)了閃存的使用壽命。(4)針對(duì)YAFFS2元數(shù)據(jù)同步更新機(jī)制導(dǎo)致的閃存上無(wú)效元數(shù)據(jù)過(guò)多、閃存空間利用效率不高的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于LIRS置換算法的元數(shù)據(jù)緩存機(jī)制。該機(jī)制根據(jù)元數(shù)據(jù)的更新信息和后續(xù)更新情況,對(duì)緩存狀態(tài)進(jìn)行劃分,并給出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則;根據(jù)元數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響程度將緩存劃分為不同的置換優(yōu)先級(jí),并結(jié)合閃存讀寫(xiě)代價(jià)不對(duì)稱的特性提出了LIRS-P置換算法,該算法保留了LIRS算法可以有效捕獲被頻繁訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的特點(diǎn),優(yōu)先置換出對(duì)文件系統(tǒng)可靠性影響較大、I/O開(kāi)銷較小的緩存數(shù)據(jù),以減少系統(tǒng)的可靠性損失,提高I/O性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該機(jī)制在保證文件系統(tǒng)一定可靠性的前提下,減少了閃存元數(shù)據(jù)的更新次數(shù)和直接對(duì)閃存的寫(xiě)操作次數(shù),提高了元數(shù)據(jù)緩存的管理效率。
【關(guān)鍵詞】：NAND Flash存儲(chǔ)管理 閃存文件系統(tǒng) YAFFS2 垃圾回收算法 靜態(tài)磨損均衡算法 空間分配策略 元數(shù)據(jù)緩存機(jī)制 置換算法
【學(xué)位授予單位】：解放軍信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP333
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 緒論13-23
• 1.1 課題研究背景13-14
• 1.2 NAND Flash存儲(chǔ)管理技術(shù)的研究現(xiàn)狀14-19
• 1.2.1 基于FTL的存儲(chǔ)管理技術(shù)15-16
• 1.2.2 基于Flash文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理技術(shù)16-19
• 1.3 論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排19-23
• 第二章 NAND Flash特性及YAFFS2文件系統(tǒng)分析23-35
• 2.1 NAND Flash的邏輯結(jié)構(gòu)和固有特性23-24
• 2.2 YAFFS2文件系統(tǒng)存儲(chǔ)管理原理分析24-34
• 2.2.1 主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)24-27
• 2.2.2 文件索引結(jié)構(gòu)Tnode樹(shù)27-29
• 2.2.3 基本文件操作29-30
• 2.2.4 垃圾回收（garbage collection）30-32
• 2.2.5 空間分配機(jī)制32-33
• 2.2.6 啟動(dòng)掃描過(guò)程33-34
• 2.3 本章小結(jié)34-35
• 第三章 基于預(yù)搜索的自適應(yīng)垃圾回收算法35-45
• 3.1 垃圾回收算法需解決的問(wèn)題35
• 3.2 已有垃圾回收算法35-36
• 3.3 YAFFS2垃圾回收算法的缺陷36-37
• 3.4 基于預(yù)搜索的自適應(yīng)垃圾回收算法37-40
• 3.4.1 改進(jìn)的回收目標(biāo)塊搜索方式37-38
• 3.4.2 最小平均回收開(kāi)銷定性估計(jì)38-39
• 3.4.3 兼顧磨損均衡的回收目標(biāo)塊確定原則39-40
• 3.4.4 考慮I/O開(kāi)銷的自適應(yīng)回收策略40
• 3.5 實(shí)驗(yàn)及分析40-44
• 3.5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境建立40-41
• 3.5.2 參數(shù)設(shè)置41
• 3.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析41-44
• 3.6 本章小結(jié)44-45
• 第四章 基于塊擦除信息的靜態(tài)磨損均衡算法設(shè)計(jì)45-55
• 4.1 磨損均衡算法分類45-46
• 4.1.1 動(dòng)態(tài)磨損均衡算法45-46
• 4.1.2 靜態(tài)磨損均衡算法46
• 4.2 YAFFS2磨損均衡機(jī)制分析46-47
• 4.3 基于塊擦除信息的靜態(tài)磨損均衡算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)47-52
• 4.3.1 基于塊擦除信息的塊分配機(jī)制48-50
• 4.3.2“冷”數(shù)據(jù)調(diào)整機(jī)制50-51
• 4.3.3 算法觸發(fā)方式51
• 4.3.4 算法流程51-52
• 4.4 實(shí)驗(yàn)及分析52-54
• 4.5 本章小結(jié)54-55
• 第五章 基于LIRS置換算法的元數(shù)據(jù)緩存機(jī)制設(shè)計(jì)55-65
• 5.1 文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)管理方法55-59
• 5.1.1 YAFFS2元數(shù)據(jù)的管理方式56-57
• 5.1.2 YAFFS2元數(shù)據(jù)緩存機(jī)制57
• 5.1.3 緩沖區(qū)管理算法57-59
• 5.2 基于LIRS的元數(shù)據(jù)緩存機(jī)制59-61
• 5.2.1 元數(shù)據(jù)緩存機(jī)制優(yōu)化59-60
• 5.2.2 基于LIRS置換算法的元數(shù)據(jù)緩存置換算法60-61
• 5.3 實(shí)驗(yàn)及分析61-63
• 5.4 本章小結(jié)63-65
• 第六章 結(jié)束語(yǔ)65-67
• 6.1 論文工作總結(jié)65-66
• 6.2 前景和展望66-67
• 致謝67-69
• 參考文獻(xiàn)69-73
• 作者簡(jiǎn)歷73

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 趙鵬;白石;;基于隨機(jī)游走的大容量固態(tài)硬盤(pán)磨損均衡算法[J];計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào);2012年05期

2 湯顯;孟小峰;梁智超;盧澤萍;;基于代價(jià)的閃存數(shù)據(jù)庫(kù)緩沖區(qū)置換算法[J];軟件學(xué)報(bào);2011年12期

3 時(shí)正;紀(jì)金松;陳香蘭;龔育昌;;一種基于差分進(jìn)化的Flash文件系統(tǒng)垃圾回收算法[J];電子學(xué)報(bào);2011年02期

4 鄭文靜;李明強(qiáng);舒繼武;;Flash存儲(chǔ)技術(shù)[J];計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展;2010年04期

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本文編號(hào)：881789