混合NAND型闪存实验平台的研究

发布时间：2020-03-22 06:40

【摘要】：闪存是二十世纪八十年代东芝公司发明的一款新型存储器,它具有低功耗、高抗震、高速、非易失、体积小等优良特性,这些优良特性使得其被广泛应用于便携式设备以及嵌入式设备中。随着近年来闪存芯片容量的快速增长和价格的不断下降,闪存对传统磁盘形成了强有力的挑战,已经成为目前最为重要的新型二级存储设备,并且开始广泛应用于个人计算机以及企业级服务器环境中。随着闪存的广泛应用,针对闪存的数据管理技术成为当前国内外的研究热点之一。研究者们大都从DBMS层面及SSD内部结构和算法两方面入手,以提高闪存的存储和访问特性以及使用寿命。与此同时,一个新的问题逐渐引起了研究者的重视,即如何评估闪存数据管理算法的性能。目前提出的解决方法基本有两种:一是用内存仿真闪存,二是基于商用的SSD。前者具有成本低,灵活性好等特点,但大多数内存仿真程序只是针对作者自己提出的某个算法,无法供其他研究者使用,通用性较差,导致不同算法之间的性能对比很难进行。后者具有成本高,使用方便等特点,可以较准确的获得算法的运行性能。但商用SSD的设计结构以及FTL算法对用户完全透明,研究者难以进行SSD内部缓冲区算法、FTL算法、磨损均衡以及其他相关算法的实验。因此,构建一个统一的闪存实验平台对促进闪存存储器的研究具有重要意义。针对当前闪存相关算法的性能试验所面临的问题,本论文提出了一个软硬件集成的、开放的、可配置的混合NAND型闪存数据管理实验平台。本论文的工作主要有以下两点: (1)设计并实现了一种软硬集成的、高效灵活的闪存数据管理平台。集成了闪存存储板硬件和FTL、闪存驱动层等软件实现。该平台不仅支持DBMS层面的各种算法验证,也支持SSD内部的各类算法验证,保证了大多数闪存验证实验的要求。 (2)提出了一种高效的SSD内部的写缓冲区置换算法BPCLC,并利用该闪存数据管理实验平台进行算法验证。实验表明,BPCLC算法优于同类型的其他算法,同时表明该平台能够适用于各种闪存算法的研究实验。
【图文】：

闪存,存储器,磁盘

震性好等优良特性，随着闪存价格的下降和容量的增加介质的存储器逐渐步入数据存储的舞台，并占据主导地硬盘的趋势（Bouganim et al 2009; Gray et al 2008; Lee 表 1-1 是一款 SSD 和传统磁盘的对比数据，从表中可方面比传统磁盘都有较大优势。闪存存储器比传统磁盘有优势，但其自身也存在很多问的磁道、盘面、柱面、扇区的结构不同，闪存是由块（个块包含固定数目的数据页（Page），一般是 64 页，据页为单位，而磁盘是按字节操作；闪存不支持原ce Update），因此如果需要执行一次更新操作，则需要所在的物理块进行擦除，然后进行其他操作；闪存的擦般为一百万次，频繁的擦除会大大降低闪存的寿命。此程中，由于已有的计算机系统是针对磁盘进行性能优化的性能并没有得到最大的利用。

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普通的场效应管和半导体晶体管类似，不同的是，闪存芯片的晶体管中入了“控制栅”（Control Gate）和“浮动栅”（Floating Gate）。控制栅将子移出或注入浮动栅；而浮动栅表面包覆了一层硅氧化物绝缘体，通过制栅与电容耦合，达到贮存电子的目的。当负电子从浮动栅内移出，对应单晶体管的状态就由 0 变成 1；相反，当在控制栅的作用下负电被注入浮动栅时，对应单晶体管的状态就由 1 变成 0。在写入数据之，闪存芯片必须将浮动栅内的负电子全部移走，将相关闪存存储块中位的存状态都置为 1，改操作即擦除操作，因此，擦除操作也是最耗时。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP333

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