NAND Flash坏块管理算法研究与实现

发布时间：2017-10-11 23:40

  本文关键词：NAND Flash坏块管理算法研究与实现

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【摘要】：自当今社会进入互联网、大数据时代以来,对大容量存储技术提出了巨大需求。NAND Flash特别是一个存储单元存储2位数据的MLC NAND Flash,由于其具有功耗小、大容量、体积小、随机读写性能好、高性价比等优点得到了极大应用。但因为NAND Flash块擦除、页读写操作逻辑造成的和当前文件系统不匹配、存储数据错误率高和有坏块的问题,使得当前对扇区自由访存的磁盘管理方法不再适用,就需要采用专门的NAND Flash管理算法实施管理。坏块管理问题就是必须要解决的内容之一。本文在广泛研究了NAND Flash常用坏块管理方法(Bad Block Management,BBM)的基础上,提出了一种新型坏块管理方案。该方案在块替换策略上使用坏块保留区替换策略;在坏块信息存储方式上使用了坏块位标记表和块保留映射表相结合的方式;在管理流程上应用了静态坏块和动态坏块分开管理的方式。在硬件适应层,用静态坏块管理模块实现静态坏块的管理,设计了静态坏块管理总体框架,包括坏块管理初始化、坏块管理信息表、坏块管理控制器、滞后回写等模块,用FPGA逻辑时序的方式保证了在实现完整坏块管理功能的同时,与上层地址映射层(Flash Translation Layer,FTL)算法透明适配;在FTL层,设计并实现了页粒度管理策略(Page Granularity Management Strategy,PGMS)对动态坏块进行管理,将原有粗粒度的坏块管理方式转变为细粒度页的管理模式,充分考虑块内页抵抗错误率增长存在的巨大差异,以充分挖掘块内所有页的寿命潜能。本文在自行研制的基于Zynq的NAND Flash软硬件协同验证平台上对本文所研究的坏块管理算法进行了实现。其中在Zynq的PL部分(Programmable Logic,PL)实现了硬件适应层的静态坏块管理模块,经实验表明该模块具有实现可靠、管理效率高、容量损耗小(4 KB坏块信息表能够管理16G容量)的优点。在Zynq的PS部分(Processing System,PS)实现了嵌入动态坏块页粒度管理策略的页映射FTL算法。实验结果表明动态坏块页粒度管理策略能大大提高Flash使用寿命,对于制程为3x-nm的MLC NAND Flash,在不考虑存储容量减小的情况下最高能提高35倍左右的寿命,而对写性能带来最大约9.5%的速率缩减,对读性能影响可以忽略不计。
【关键词】：NAND Flash 坏块管理 页粒度 FTL 寿命
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题的来源及研究目的和意义9-10
• 1.2 NAND Flash发展现状10-14
• 1.2.1 Flash存储器结构和原理10-11
• 1.2.2 Flash存储器分类11-13
• 1.2.3 NAND Flash存储器管理算法和管理结构13-14
• 1.3 国内外研究现状和分析14-17
• 1.3.1 NAND Flash坏块管理算法国内研究现状14-15
• 1.3.2 NAND Flash坏块管理算法国外研究现状15-17
• 1.4 主要研究内容及论文结构17-19
• 第2章 坏块管理算法总体方案设计19-29
• 2.1 NAND Flash坏块管理简介和设计目标19-22
• 2.1.1 坏块的识别方法19-20
• 2.1.2 坏块管理的一般方法20-21
• 2.1.3 坏块管理的设计目标21-22
• 2.2 总体方案设计22-23
• 2.2.1 设计原则22
• 2.2.2 总体方案22-23
• 2.3 实现方案选择及介绍23-27
• 2.3.1 Zynq及其开发流程简介23-25
• 2.3.2 NAND Flash算法验证平台介绍25-27
• 2.4 本章小结27-29
• 第3章 HAL层静态坏块管理逻辑设计29-41
• 3.1 HAL层静态坏块管理逻辑总体框架29-30
• 3.2 HAL层静态坏块管理坏块信息表设计30-31
• 3.3 HAL层静态坏块管理各功能模块逻辑设计31-36
• 3.3.1 初始化模块的实现31-33
• 3.3.2 控制器模块的实现33-35
• 3.3.3 滞后回写模块的实现35-36
• 3.4 HAL层静态坏块管理逻辑测试36-40
• 3.4.1 HAL层静态坏块管理模块功能测试36-39
• 3.4.2 HAL层静态坏块管理模块执行效率测试39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 FTL层动态坏块管理策略方案设计41-59
• 4.1 FTL层PGMS策略技术简介41-46
• 4.1.1 NAND Flash错误发生机制41-43
• 4.1.2 ECC算法局限性43-44
• 4.1.3 块内页可靠性差异44-46
• 4.2 FTL层PGMS策略46-51
• 4.2.1 PGMS策略读操作46-48
• 4.2.2 PGMS策略写操作48-49
• 4.2.3 改进的CT-PGMS策略49-50
• 4.2.4 PGMS策略对存储器读写性能的影响50-51
• 4.3 FTL层PGMS策略性能测试51-57
• 4.3.1 PGMS策略寿命增长影响评估51-55
• 4.3.2 PGMS策略I/O读写性能影响评估55-57
• 4.4 本章小结57-59
• 结论59-60
• 参考文献60-65
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果65-67
• 致谢67-68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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2 胡红;王少云;叶艳;;一种基于大容量数据记录仪的坏块管理设计[J];电子设计工程;2014年08期

3 张胜勇;高世杰;吴志勇;田丽霞;;基于FPGA的NAND Flash坏块处理方法[J];计算机工程;2010年06期

4 徐富新;刘应;刘雁群;向超;;模式可配置的NAND Flash纠错系统设计与实现[J];中南大学学报(自然科学版);2013年05期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 徐红伟;高速数据采集记录装置研制[D];哈尔滨工业大学;2010年

2 贾源泉;基于NAND FLASH的多路并行存储系统的研究与实现[D];国防科学技术大学;2011年

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本文编号：1015473