基于超級(jí)塊的實(shí)時(shí)閃存轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、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(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，與此同時(shí)，大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來對(duì)計(jì)算機(jī)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(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的事實(shí)，訪問延遲得不到根本性的提升，難以突破計(jì)算機(jī)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(chǔ)器，具有低延遲，低功耗，抗震性強(qiáng)的特點(diǎn)，正從嵌入式應(yīng)用中推廣至個(gè)人計(jì)算機(jī)及大規(guī)模數(shù)據(jù)

2、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(duì)稱，異地更新的限制使其不能直接應(yīng)用在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁盤的位置。為了盡可能少對(duì)目前的計(jì)算機(jī)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(chǔ)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(jī)械磁盤那樣去訪問閃存。閃存轉(zhuǎn)換層對(duì)閃存芯片進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)閃存的使用性能具有決定性的作用，因此，如何設(shè)計(jì)高效的閃存轉(zhuǎn)換層算法，提高閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)的利用率和I/O性能意義重大。

3、>　　本文對(duì)實(shí)時(shí)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(chǔ)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(diǎn)得出通過推遲閃存中的垃圾回收過程，可以減少

4、系統(tǒng)中的有效頁拷貝操作，從而減少垃圾回收的代價(jià)，提高閃存的使用效率。
　　本文對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行建模，實(shí)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(shí)時(shí)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

5、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(duì)于經(jīng)常訪問的邏輯塊按需分配多個(gè)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(shí)間。另外DSFTL算法中，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)訪問特點(diǎn)，進(jìn)行超級(jí)塊的合并操作，將冷熱數(shù)據(jù)分別存放在不同的超級(jí)塊中，基于不同的超級(jí)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