基于NAND FLASH的大容量SSD磨損均衡算法的仿真及其性能測試.pdf

1、基于NFlash的大容量SSD磨損均衡算法的仿真及其性能測試11緒論1.1引言在過去的20多年間，CPU發(fā)展迅速，主頻不斷地提升，從單核、雙核、再到多核。內(nèi)存的存取速度也提高得很快，從SDRAM到DDR，從DDR到DDR2再到DDR3。雖然硬盤的容量和速度也得到了相應(yīng)的提高，接口也從PATA變成了SATA，SCSI變成了SAS。但是，比起CPU和內(nèi)存，硬盤的發(fā)展速度相對較慢，成為了存儲(chǔ)系統(tǒng)的瓶頸。此外，在嵌入式領(lǐng)域、移動(dòng)設(shè)備和工業(yè)自動(dòng)化

2、控制等惡劣環(huán)境下，機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)硬盤也已經(jīng)無法滿足要求。于是，存取速度更快、更輕巧、更防震的固態(tài)硬盤應(yīng)運(yùn)而生。其實(shí)，固態(tài)硬盤早在1990年年中就登場了，當(dāng)時(shí)相對于傳統(tǒng)硬盤更為出色的性能以及高昂的成本，使其長期被限制在軍事、航天等特殊領(lǐng)域里應(yīng)用。隨著近年來固態(tài)硬盤技術(shù)的發(fā)展和閃存價(jià)格的持續(xù)走低，固態(tài)硬盤的普及已是大勢所趨。本文將在2.1節(jié)中對固態(tài)硬盤與傳統(tǒng)硬盤的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的比較。雖然固態(tài)硬盤具有存取速度快、輕巧、防震等優(yōu)點(diǎn)，但是由于固

3、態(tài)硬盤的主要存儲(chǔ)介質(zhì)閃存（Flash）有其不同于一般存儲(chǔ)器的獨(dú)特硬件特性：先擦除、后寫入；擦除與寫入大小不一致；擦除次數(shù)有限，因此，以閃存為介質(zhì)的固態(tài)硬盤也受到一定的局限：容量小、壽命短、初始化時(shí)間長。基于閃存的固態(tài)硬盤是由許多閃存芯片組成的，增加固態(tài)硬盤上的閃存芯片數(shù)量就可以相應(yīng)的增大固態(tài)硬盤的容量。然而，如果固態(tài)硬盤和小容量的閃存設(shè)備一樣采用頁級(jí)地址映射方式的話，地址映射表占用的內(nèi)存將大的驚人，初始化時(shí)讀取每個(gè)頁的備用區(qū)也會(huì)耗費(fèi)更多

4、的時(shí)間。因此，需要優(yōu)化閃存管理軟件。固態(tài)硬盤的壽命短是因?yàn)殚W存的擦除次數(shù)有限。實(shí)際應(yīng)用中，硬盤存取適用經(jīng)典的“二八原則”，即80%的讀寫操作集中在20%的硬盤空間上。如果固態(tài)硬盤采用傳統(tǒng)硬盤的邏輯地址和物理地址一一對應(yīng)的存儲(chǔ)方式，那么，被頻繁讀寫的那20%的固態(tài)硬盤空間將過早達(dá)到最大擦除次數(shù)，致使整個(gè)硬盤都無法再正常使用。因此，只有將磨損平均地分散到整個(gè)硬盤空間，才能最大程度地延長基于基于NFlash的大容量SSD磨損均衡算法的仿真及其

5、性能測試31.3論文框架第1章緒論：介紹固態(tài)硬盤產(chǎn)生的背景，以及固態(tài)硬盤的主要介質(zhì)——N閃存的特性，從而引出為什么要有磨損均衡算法。分析本文要討論的關(guān)于磨損均衡算法的主要研究內(nèi)容。第2章研究背景：首先，對比了傳統(tǒng)硬盤與固態(tài)硬盤的優(yōu)缺點(diǎn)。接著，分別介紹了兩種閃存結(jié)構(gòu)：N和N閃存，和兩種閃存的存儲(chǔ)單元：SLC和MLC。最后，著重介紹了N閃存的結(jié)構(gòu)和管理方式。第3章相關(guān)研究：首先，介紹現(xiàn)有的N閃存的地址映射方法：FTL和NFTL，分析了基于N

6、FTL的不同策略的特點(diǎn)和不足，包括替換塊策略、BAST策略，F(xiàn)AST策略和超級(jí)塊策略。然后，比較了兩種主要的磨損均衡算法：動(dòng)態(tài)磨損均衡和靜態(tài)磨損均衡。第4章磨損均衡算法設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一種磨損均衡算法，詳細(xì)描述算法用到的邏輯物理地址映射方法、內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和備用區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用圖文結(jié)合的方式描述了系統(tǒng)初始化、讀寫操作的流程。第5章磨損均衡算法的模擬實(shí)驗(yàn)：先介紹如何用程序模擬固態(tài)硬盤的讀寫，然后列出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出設(shè)計(jì)存在的問題并加以改進(jìn)，用圖表比較

7、改進(jìn)前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。第6章回顧與展望：總結(jié)了本文為實(shí)現(xiàn)N閃存的磨損均衡進(jìn)行的一些研究，分析了本文算法的一些值得進(jìn)一步探討和優(yōu)化的地方。1.4本章小結(jié)本章首先簡要闡述了固態(tài)硬盤產(chǎn)生的時(shí)代背景，傳統(tǒng)硬盤的速度瓶頸越來越不能滿足人們?nèi)粘?shù)據(jù)存取的需求，此外，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也限制了其在嵌入式等特殊領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，基于閃存的固態(tài)硬盤漸漸進(jìn)入人們的視線。然后，基于閃存具有“先擦除、后寫入；擦除次數(shù)有限”的特性，列出了針對固態(tài)硬盤管理和