基于NAND閃存的固態(tài)盤關鍵技術研究.pdf

1、近半個世紀來，隨著計算機體系結構技術及芯片加工技術的不斷進步，計算機系統(tǒng)的CPU性能與IO性能的差距不斷擴大。計算機系統(tǒng)IO性能的瓶頸在于硬盤。這些年雖然磁盤容量有了迅速提升，但由于其存在機械旋轉結構，訪問速度提升有限，使得基于硬盤的存儲系統(tǒng)成為計算機系統(tǒng)的性能瓶頸之一。相比于傳統(tǒng)的硬盤，固態(tài)硬盤呈現出許多優(yōu)良的性能：低功耗，讀寫速度快，防震抗摔性好，無噪音，重量輕等，因此固態(tài)硬盤在許多領域已經開始替代傳統(tǒng)硬盤。然而，固態(tài)硬盤也繼承閃存

2、的缺點，包括讀寫不對稱、寫前擦除、有限的擦除次數等。本文主要研究固態(tài)硬盤設計中的緩沖區(qū)管理算法和閃存轉換層算法，以減少對固態(tài)硬盤的寫和擦除次數。
　　在緩沖區(qū)管理算法設計中，本文提出了一種面向頁級FTL的緩沖區(qū)管理算法——VBBMS（Virtual-Block-based Buffer Management Scheme）。首先，VBBMS將RAM分成隨機請求處理區(qū)和連續(xù)請求處理區(qū)，分別用來處理隨機請求和連續(xù)請求；其次，VBBMS

3、采用虛擬塊技術，盡可能存儲訪問頻率高的數據，并且對隨機請求進行重構，將隨機的、小的請求變成順序的、大的連續(xù)請求發(fā)送給SDFTL，以減少閃存的讀寫次數和優(yōu)化垃圾回收的效率；最后，連續(xù)請求處理區(qū)通過預取數據，利用請求的空間局部性，增加了緩沖區(qū)的命中率，進一步了提升系統(tǒng)的整體性能。實驗結果顯示，平均而言，VBBMS相比BPLRU算法，緩沖區(qū)命中率提高20.92％，響應時間減少23.93%，塊擦除次數減少13.38%；相比CFLRU算法，緩沖區(qū)

4、命中率提高29.33%，響應時間減少28.09%，塊擦除次數減少48.77%；相比頁級LRU算法，緩沖區(qū)命中率提高44.16%，響應時間減少33.70%，塊擦除次數減少55.75%。
　　在閃存轉換層算法設計中，本文提出一種基于分類處理的聚簇頁級閃存轉換層算法——CPFTL（Clustered Page-level Flash Translation Layer）。首先，CPFTL將地址映射緩存分為熱映射表緩存、冷映射表緩存和連續(xù)

5、映射表緩存，分別用來緩存訪問頻繁的請求的映射項、訪問不頻繁的請求的映射項和高空間本地性的請求的映射項，有效提升了各類請求的處理能力。其次，為利用連續(xù)請求的空間本地性，CPFTL的連續(xù)映射表緩存預取多個連續(xù)的映射項，提高它對連續(xù)請求的響應性能。最后，為減少頁級映射算法的轉換頁讀寫開銷，CPFTL的冷映射表緩存采用聚簇策略，即將屬于同一轉換頁中的映射項進行聚簇，按簇進行LRU管理，當冷映射表緩存滿時，根據簇的映射項個數和LRU選取合適的簇剔