非排序块映像文件系统（UBIFS）的研究与实现

发布时间：2020-11-06 08:01

　　 随着电子技术的不断发展,嵌入式系统越来越多地在控制类、消费类、通讯类等电子产品中广泛应用。Flash具有低成本、容量大、非易失、抗震荡等优点,在目前的嵌入式系统中被广泛用作外存储器件。随着Flash技术的成熟与容量的增加,如何高效的管理基于Flash存储器的存储系统并延长Flash存储器预期寿命的问题正成为制约Flash存储器发展和应用的技术瓶颈。UBIFS提供了灵活高效的损耗均衡机制,在UBIFS机制下研究高性能的Flash存储器损耗均衡算法,对于延长Flash存储器的预期寿命,具有重要意义。 通过分析发现,现有的Flash文件系统主要存在物理擦除块擦除次数的均衡程度不够理想;在实现损耗均衡的过程中,部分算法增加了较多的擦除操作等方面的不足。针对这些不足,本文研究的主要目的是提出一种基于UBIFS的综合考虑Flash可用空间和系统I/O负载的自调节损耗均衡算法来提高Flash文件系统损耗均衡性能和I/O性能。 本文首先介绍课题研究的背景与意义,国内外损耗均衡算法的研究现状和本文的主要工作。其次,分析了Flash的相关理论,包括Flash存储器的相关技术以及Flash设备的硬件特性,并对多种Flash文件系统进行了分析。此外,还分析了结构化日志文件系统的设计思想和实现方法以及其优点和不足,并以JFFS2为例分析结构化日志Flash文件系统的关键技术,包括损耗均衡算法、垃圾回收算法以及文件数据属性对损耗均衡和垃圾回收算法设计的影响,并通过实验验证对JFFS2加载时间和损耗均衡算法的分析。最后,基于UBIFS损耗均衡算法的实现。分析了UBIFS文件系统中的擦除块的组织与管理特点,以及保护机制和损耗均衡触发条件,在此基础上给出了UBIFS中损耗均衡的实现,通过实验分析损耗均衡条件对系统I/O性能的影响。在UBI系统框架内提出一个综合考虑Flash可用空间和系统I/O负载的自调节的损耗均衡算法,新算法对Flash文件系统损耗均衡性能和I/O性能的提升通过实验得到了验证。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2009
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

图 2.2 K9F1208x0C 存储阵列Fig2.2 K9F1208x0C storage array.1.3 NAND FLASH 技术特点NAND Flash 技术具有以下特点：①Flash 存储器存在三种基本操作：读、写和擦除。Flash 存储器中的每个始为 1，通过写入（编程）操作变为 0，NOR Flash 可以以 bit 为单位读取和编ND Flash 则必须以页面（Page）为单位读取和编程，主流的 NAND Flash 的大小为 512B 或 2048B。Flash 必须通过擦除操作才可以将一个 bit 从 0 恢复为除操作必须以擦除块为单位进行，而擦除块的大小通常远大于标准块设备2B，NOR Flash 的典型擦除块大小为 64KB 或 128KB，NAND Flash 的典型擦大小为 8KB~32KB。擦除块的一次编程/擦除操作被称为 Flash 擦除块的一次周期，Flash 的使用寿命一般有限，NOR Flash 的寿命一般为 10 万次使用周ND Flash 的寿命一般为 100 万次使用周期[19]。②Flash在使用过程中可能会出现坏块，即某些擦除块变得无法正常使用。N

图 2.7 Flash 转换层中虚拟扇区到物理扇区的映射Fig2.7 The mapping from virtual sector to physical sector in FTLFlash 转换层通过动态调整虚拟扇区号到物理擦除块的映射关系，来保证文件系统内频繁更新的数据所在的虚拟扇区号会被动态映射到不同的物理擦除块，从而实现损耗均衡，旨在向上层提供一个传统块设备的逻辑映像。类似的 Flash 转换层在检测到坏块后会调整虚拟扇区到物理擦除块的映射关系使得虚拟扇区不会被映射到坏块的物理擦除块中，从而屏蔽了坏块。最早的 Flash 转换层标准是针对NOR Flash 提出的，后来针对 NAND Flash 提出了 NAND Flash 转换层（NFTL，NAND Flash Translation Layer）。基于Flash转换层规范的Flash文件系统的主要优点是：现有的文件系统如FAT文件系统可以不加修改直接运行在 Flash 转换层模拟出的虚拟块设备上；其不足主要是设计和实现较为复杂，由于文件系统和 Flash 设备之间有 Flash 转换层，需要付出存储空间和内存占用等开销，另外在可靠性方面，Flash 转换层需要保证映射关系的可靠性，而上层的文件系统为了保证可靠性可能仍会采用日志等方法，从而导致不必要的开销。由于 Flash 转换层属于商业公司的专利，主要在 TrueFFS 等

会由于日志的追加写操作耗尽，文件系统必须通过回收无效数据占用的空间来满足写操作请求。结构化日志文件系统的另外一个问题是如何实现对文件的数据寻址。在传统的 Unix-like 磁盘文件系统中，一个文件的 inode 等元数据在其生命周期内的存储位置不会变化，对文件的数据寻址较为简单。而结构化日志文件系统采用异地更新，每次更新都会将新的元数据追加写入日志尾部，因此结构化日志文件系统一般采用 inode 映射块等方法记录最新有效的 inode 的存储位置。以 Spirit-LFS 的实现为例，图 3.1 是结构化日志文件系统和传统的 Unix FFS 创建两个大小为一个磁盘块的文件的过程：
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本文编号：2872874