發(fā)布時間：2017-09-19 13:03

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

  更多相關(guān)文章： NAND Flash存儲管理 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)緩存機制 置換算法

【摘要】：隨著存儲技術(shù)的發(fā)展,NAND Flash(NAND閃存)由于具有存儲密度高、I/O性能好、低成本、低功耗等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車工業(yè)、航空航天等諸多領(lǐng)域,并可能取代磁盤成為下一代主流存儲介質(zhì)。閃存存儲管理技術(shù)的發(fā)展對充分發(fā)揮閃存硬件優(yōu)勢,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)域的進一步擴大,一些新的應(yīng)用環(huán)境對閃存存儲管理系統(tǒng)的可靠性、實時性、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存儲原理的基礎(chǔ)上,對其在存儲管理方面存在的:兩級垃圾回收模式導(dǎo)致的I/O性能波動、動態(tài)磨損均衡策略的局限性以及元數(shù)據(jù)同步更新機制引起的性能損失等問題進行了深入研究,對YAFFS2的存儲管理性能進行了針對性地優(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)分析了閃存存儲管理技術(shù)的現(xiàn)狀,指出了基于閃存轉(zhuǎn)換層管理機制的不足,通過比較三種閃存文件系統(tǒng)總結(jié)了YAFFS2的主要特點和優(yōu)勢。在源代碼層面對YAFFS2文件系統(tǒng)的主要存儲管理原理進行了細致分析,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,空間分配機制、啟動掃描過程等幾個方面。指出了YAFFS2在垃圾回收算法和磨損均衡機制等方面的不足。(2)提出了一種基于預(yù)搜索的自適應(yīng)垃圾回收算法。針對閃存空間使用率較高時,YAFFS2兩級垃圾模式導(dǎo)致的I/O性能急劇下降的問題,算法采用重疊式的區(qū)段搜索方式和動態(tài)的有效頁閾值加強了對較臟塊集中區(qū)域的回收,將回收工作主要集中在被動模式中完成;針對在回收過程中兼顧磨損均衡將導(dǎo)致寫性能下降的問題,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銷自適應(yīng)地選擇不同的策略查找合適的臟塊進行回收。實驗結(jié)果表明:算法可有效減少主動模式的回收次數(shù),提高了文件系統(tǒng)的吞吐量,同時對磨損均衡度進行了一定控制。(3)針對文件系統(tǒng)磨損均衡策略存在的局部均衡問題,設(shè)計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,對非空閑塊組中的“冷”數(shù)據(jù)采取遷移操作,對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性建立概率模型,簡化了數(shù)據(jù)存儲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確定值附近。仿真實驗結(jié)果表明:算法加強了對靜態(tài)數(shù)據(jù)的處理,實現(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,進而有效延長了閃存的使用壽命。(4)針對YAFFS2元數(shù)據(jù)同步更新機制導(dǎo)致的閃存上無效元數(shù)據(jù)過多、閃存空間利用效率不高的問題,設(shè)計了一種基于LIRS置換算法的元數(shù)據(jù)緩存機制。該機制根據(jù)元數(shù)據(jù)的更新信息和后續(xù)更新情況,對緩存狀態(tài)進行劃分,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,并結(jié)合閃存讀寫代價不對稱的特性提出了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的數(shù)據(jù)的特點,優(yōu)先置換出對文件系統(tǒng)可靠性影響較大、I/O開銷較小的緩存數(shù)據(jù),以減少系統(tǒng)的可靠性損失,提高I/O性能。實驗結(jié)果表明:該機制在保證文件系統(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)和直接對閃存的寫操作次數(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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：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存儲管理技術(shù)的研究現(xiàn)狀14-19
• 1.2.1 基于FTL的存儲管理技術(shù)15-16
• 1.2.2 基于Flash文件系統(tǒng)的存儲管理技術(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 空間分配機制32-33
• 2.2.6 啟動掃描過程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 改進的回收目標(biāo)塊搜索方式37-38
• 3.4.2 最小平均回收開銷定性估計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開銷的自適應(yīng)回收策略40
• 3.5 實驗及分析40-44
• 3.5.1 實驗環(huán)境建立40-41
• 3.5.2 參數(shù)設(shè)置41
• 3.5.3 實驗結(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45-55
• 4.1 磨損均衡算法分類45-46
• 4.1.1 動態(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)計與實現(xiàn)47-52
• 4.3.1 基于塊擦除信息的塊分配機制48-50
• 4.3.2“冷”數(shù)據(jù)調(diào)整機制50-51
• 4.3.3 算法觸發(fā)方式51
• 4.3.4 算法流程51-52
• 4.4 實驗及分析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)緩存機制設(shè)計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)緩存機制59-61
• 5.2.1 元數(shù)據(jù)緩存機制優(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 實驗及分析61-63
• 5.4 本章小結(jié)63-65
• 第六章 結(jié)束語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69-73
• 作者簡歷73

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 趙鵬;白石;;基于隨機游走的大容量固態(tài)硬盤磨損均衡算法[J];計算機學(xué)報;2012年05期

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

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

4 鄭文靜;李明強;舒繼武;;Flash存儲技術(shù)[J];計算機研究與發(fā)展;2010年04期

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本文編號：881789