基于FPGA的Host-FTL固态硬盘控制器的设计

发布时间：2020-03-23 07:20

【摘要】：鉴于闪存的固有缺陷,固态存储设备需要一个主控制器和闪存转换层来解决两个主要矛盾,即闪存的有限擦写寿命和较长的使用时间的期望之间的矛盾以及闪存的单体带宽不足和数据的吞吐量呈指数性增长之间的矛盾。本文系统地阐述了一个基于FPGA逻辑和内嵌处理器实现的混合架构。考虑到大带宽的设计需求使用了FPGA硬件加速,针对需求多变的负载情况使用了Host-FTL的闪存转换层架构。通过分离存储设备和闪存转换层,让主机使用本系统提供的命令和消息单元完成对闪存通道的管理。其中多级的缓存策略和命令流程处理让盘内最低延时稳定在20μs左右。Host-FTL的设计不仅实现了普通的地址映射、磨损均衡、坏块管理等软件算法。通过分析系统的带宽瓶颈,普通写入使用了“流水线”策略,还在其中加入了针对大文件写入的“并行页面组”策略。通道级的RAID阵列加强了数据的安全性,区域性的磨损均衡也加大了固态盘阵列的写入数据总量。最后分析对比了本系统在不同队列深度、线程数、数据块大小、读写比例的情况下的性能,并展示了实际的测试结果。与普通固态盘相比,本系统的带宽有20%~30%的提升,每秒指令操作次数达到1.5至2倍,完成了设计指标。
【图文】：

第 2 章 固态存储关键技术第2章 固态存储关键技术存储技术、时延、速度直接影响着存储系统的性能，，从而中，计算能力随着多核技术和主频提升已经可存储能力却发展缓慢，完全跟不上高速发展的，我们将半导体存储器分成易失性和非易失性两储器山”的概念，如图 2-1 所示。越接近山顶的的也是同面积下容量更小及成本更高[22]。

图 2-2 四种闪存单元对比Fig. 2-2 Comparison of four flash memory units表 2-1 四种闪存单元寿命及速率Table 2-1 Four flash memory unit life and speed参数 SLC MLC TLC QLCBIT 数(个) 1 2 3 4P/E 数(次) ~100K ~10K ~3K ~1K读取时间(μs) ~25 ~50 ~70 ~90写入时间(μs) ~300 ~580 ~900 ~1400擦除时间(μs) ~1500 ~2800 ~4200 ~5600目前一片闪存的常规容量在 32GB 到 512GB 之间，为了在有限空间内集成更容量，闪存厂商在一个芯片内部集成多个存储晶片，称之为 Die[30]。如图 2-3 所，闪存内部分为多个层级，自外向内分别是 Chip(芯片)、Die(晶片)、Plane(平面)、
【学位授予单位】：黑龙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN791;TP333.35

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本文编号：2596395