基于YAFFS2文件系統(tǒng)的NAND Flash存儲(chǔ)管理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、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(chē)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)YAFFS

2、2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

3、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

4、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(xiāo)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

5、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

6、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(chēng)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