基于NAND的使用压缩缓存策略的交换系统的设计与实现

发布时间：2020-05-07 19:52

【摘要】： 作为磁盘的替代品,NAND闪存被广泛应用于便携式设备。但在大部分情况下,NAND闪存只是被作为大容量数据存储器使用。随着智能手机、掌上电脑等高端嵌入式设备对内存的占用需求的快速增大,将会有越来越多的研究关注如何扩大嵌入式设备的可用内存空间,其中一个研究方向就是在NAND闪存上建立交换系统。交换系统被应用于几乎所有的现代操作系统中。传统的交换系统都是在磁盘分区上建立独立的交换分区,使得系统获得更大的内存空间却不损失执行效率。相比磁盘设备,NAND闪存具有高速、低能耗、抗震、稳定等优良的特性,可以认为在NAND上建立交换系统是现实和有意义的。虽然NAND相比于磁盘有着各种优良的特性,但是NAND有着致命的弱点,即NAND具有擦写次数限制。对某块擦写次数超过限定次数可能损害该块,而面对读写频繁的交换系统,能否使NAND避免太早的磨损成为NAND交换系统研究的重点。针对如何减缓NAND的磨损,本文提出了一个新的基于NAND的交换系统架构SNSS(Smart NAND Swap System)。相比于传统的交换系统,SNSS的优势在于为交换系统中引入压缩缓存机制,并在此基础上创造性的提出两级回收策略和选择性压缩策略,这些机制和策略的使用,使得系统对NAND的访问次数大为减少。压缩缓存实际是在内存空间和NAND交换分区之间创建了一个中间层——压缩缓存分区。按照SNSS的设计,压缩缓存分区和NAND交换分区共享同一个“页槽地址空间”,所有换出页将先被压缩,然后在这个“页槽地址空间”中分配空间。压缩缓存分区作为NAND交换分区的缓存存在,以期减少对NAND的读写操作。针对NAND写操作开销较大的特点,SNSS提出两级回收策略,即在内存页回收策略上依旧执行传统的LRU策略,而在压缩缓存分区中执行特殊的回收策略。后者主要根据对NAND操作时“重写”开销较大,“创建新页”开销次之的特点,提出了相应的回收原则:优先回收“干净”压缩页,其次是“新”压缩页,而尽量将“脏”压缩页保存在压缩缓存分区中。此外,SNSS使用选择性压缩策略,即当压缩率并不理想时,系统将选择不压缩,以节省执行时间。通过对SNSS模型的测试,证明使用压缩缓存策略的NAND交换系统,相比传统的做法,在不损耗系统执行效率的条件下,可以将对NAND的写操作次数减少近一半,NAND的使用寿命可以增长近一倍。
【图文】：

交换文件

属于进程的匿名线性区（例如，用户态堆栈）的页；属于进程的私有内存映射修改过的页；属于 IPC 共享线性区的页。可以发现，这三种页面的共性是：他们都是在程序运行的时候动态生产文件系统中没有对应的文件可以映射。使用交换系统可以使用两种形式（见图 1）：一种是使用交换分区(Swap A部分的类 Unix 系统都在磁盘上专门建立一个分区（如 Linux 中称为 Sw）作为交换页面的存储目的地，因为直接对磁盘进行操作，可以带来更和更好的稳定性；另一种是使用交换文件(Swap File)，如 Windows 通常内建立隐藏文件作为交换页面的存储目的地，这种方式使用文件系统来差异，，由于不需要建立额外的分区，所以实现比较简单，但失去了部分效往往影响用户使用交换文件所在的设备盘内的资源。文件系统交换磁盘内存SwapOutSwapIn文件系统内存交换文SwapOutSwapIn磁盘

控制电路图,控制电路

图 2 C.Park[1] XIP-NAND的架构相比于普通的 NAND 具有速率上的优势，相比于传统的 XIP、SDRAM 等有着价格上的优势，但是复杂的架构使其丧失了廉价来了更大的不稳定性，因此如何使用更简单的方案使得 NAND 具旧是一个热点。相应的一些厂商已经推出了类似功能的 NAND 产公司的 OneNAND 外，还有 Sandisk 的 iNAND、M-Systems 的。究比，Flash 最突出的问题就是使用寿命问题。对某个块过量的擦除部单元不稳定或失效。因此，要尽量避免频繁地对同一块地址操作，单元提前损坏，即所谓的负载平衡（见 2.1.3）ND 在软件层面上的研究主要集中在文件系统领域。目前，常用的统有 JFFS2（参考文献[2]），YAFFS（参考文献[3]）等。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TP333

【共引文献】