基于NAND闪存的固态硬盘缓存优化策略研究
发布时间：2022-07-23 14:38
计算机体系结构经过长期的发展,在各方面都取得了长足的进步。在存储体系结构方面,虽然存储系统的容量得到了很大的提升,但是不同设备之间的速度差异问题进一步加深,使得存储子系统成为整个计算机体系发展的瓶颈之一。NAND闪存的发明,使得内存与底层存储系统之间速度上的差异性得到了有效的缓解。但是由于NAND闪存固有的缺陷:读写开销差异较大、不支持“原地更新”操作以及擦除次数有限等特点,严重影响了基于闪存的存储设备的性能、可靠性及使用寿命等。本文以基于NAND的固态硬盘为研究对象,主要研究基于NAND闪存的缓冲区管理算法以及垃圾回收算法,以减少对底层NAND闪存的读、写、擦除等操作,减少存储系统对上层请求的响应时间并延长其使用寿命。在基于闪存的缓冲区替换算法设计中,通过对CF-LRU,LRU-WSR以及ADLRU这些经典算法的分析,本文提出了一种局部性感知的缓冲区替换算法——LLRU。算法将缓冲区分为四类:冷干净缓冲区、冷脏缓冲区、热干净缓冲区、热脏缓冲区,同时还利用了数据访问的频度,从而增加了缓冲区的利用率。通过以上改进,当缓冲区容量为4MB时,LLRU比AD-LRU平均命中率提升4.89%,比...
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 基于闪存的固态盘历史、研究现状及研究意义
1.1.1 闪存的发展历史
1.1.2 NAND闪存的固态硬盘研究现状
1.1.3 NAND闪存固态盘研究意义
1.2 固态硬盘的发展及挑战
1.2.1 固态硬盘的发展
1.2.2 固态硬盘的挑战
1.3 本文主要研究工作及其组织结构
2 固态硬盘的结构特征及设计基础
2.1 闪存芯片介绍及固态硬盘基本架构
2.1.1 闪存的基本概念及结构
2.1.2 NAND闪存的基本结构
2.1.3 固态硬盘基本架构
2.2 固态硬盘中的关键技术
2.2.1 缓冲区管理策略
2.2.2 地址映射策略
2.2.3 垃圾回收策略
2.2.4 磨损均衡策略
2.2.5 坏块管理策略
2.3 本章小结
3 基于闪存局部性感知的缓冲区替换算法
3.1 缓冲区概述及可感知闪存缓冲区替换算法
3.1.1 缓冲区设计动机
3.1.2 可感知闪存缓冲区替换算法
3.2 局部性感知的缓冲区替换算法
3.2.1 LLRU设计动机
3.2.2 LLRU总体框架
3.2.3 缓冲区的分割及分区动态变化
3.2.4 替换页面以及替换模型以及时间复杂度
3.3 实验平台及评估标准
3.3.1 实验平台及配置
3.3.2 测试负载及性能评估
3.4 实验分析
3.4.1 总体性能
3.4.2 缓冲区命中率
3.4.3 读物理闪存次数
3.4.4 写物理闪存次数
3.4.5 块擦除次数
3.4.6 系统运行时间
3.4.7 相关参数
3.5 本章小结
4 基于数据聚集预处理的垃圾回收算法
4.1 经典的闪存转换层策略
4.1.1 FTL设计动机
4.1.2 经典FTL算法介绍
4.2 FTL中的垃圾回收
4.2.1 混合映射的垃圾回收
4.2.2 DFTL中的垃圾回收
4.3 数据聚集预处理的垃圾回收算法
4.3.1 设计动机
4.3.2 优化策略创新点
4.3.3 算法流程
4.4 算法时空复杂度分析
4.4.1 算法时间复杂度分析
4.4.2 算法空间复杂度分析
4.5 性能评估与结果分析
4.5.1 实验平台及配置
4.5.2 实验负载分析及性能评估
4.5.3 算法总体性能比较
4.5.4 写入放大值分析
4.5.5 垃圾回收分析
4.5.6 块擦除次数分析
4.5.7 HW_Threshold阈值分析
4.6 本章小结
5 总结与展望
5.1 主要成果
5.2 下一步研究与展望
致谢
参考文献
附录
详细摘要
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于分类策略的聚簇页级闪存转换层算法[J]. 姚英彪,杜晨杰,王发宽. 计算机研究与发展. 2017(01)
[2]基于连续缓存和二级缓存的DFTL改进算法[J]. 姚英彪,沈佐兵. 计算机研究与发展. 2014(09)
[3]一种优化的闪存地址映射方法[J]. 张琦,王林章,张天,邵子立. 软件学报. 2014(02)
博士论文
[1]高性能固态盘的多级并行性及算法研究[D]. 胡洋.华中科技大学 2012
硕士论文
[1]面向固态硬盘应用的高速闪存映射层的设计和研究[D]. 邹宏飞.清华大学 2014
本文编号：3665324
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 基于闪存的固态盘历史、研究现状及研究意义
1.1.1 闪存的发展历史
1.1.2 NAND闪存的固态硬盘研究现状
1.1.3 NAND闪存固态盘研究意义
1.2 固态硬盘的发展及挑战
1.2.1 固态硬盘的发展
1.2.2 固态硬盘的挑战
1.3 本文主要研究工作及其组织结构
2 固态硬盘的结构特征及设计基础
2.1 闪存芯片介绍及固态硬盘基本架构
2.1.1 闪存的基本概念及结构
2.1.2 NAND闪存的基本结构
2.1.3 固态硬盘基本架构
2.2 固态硬盘中的关键技术
2.2.1 缓冲区管理策略
2.2.2 地址映射策略
2.2.3 垃圾回收策略
2.2.4 磨损均衡策略
2.2.5 坏块管理策略
2.3 本章小结
3 基于闪存局部性感知的缓冲区替换算法
3.1 缓冲区概述及可感知闪存缓冲区替换算法
3.1.1 缓冲区设计动机
3.1.2 可感知闪存缓冲区替换算法
3.2 局部性感知的缓冲区替换算法
3.2.1 LLRU设计动机
3.2.2 LLRU总体框架
3.2.3 缓冲区的分割及分区动态变化
3.2.4 替换页面以及替换模型以及时间复杂度
3.3 实验平台及评估标准
3.3.1 实验平台及配置
3.3.2 测试负载及性能评估
3.4 实验分析
3.4.1 总体性能
3.4.2 缓冲区命中率
3.4.3 读物理闪存次数
3.4.4 写物理闪存次数
3.4.5 块擦除次数
3.4.6 系统运行时间
3.4.7 相关参数
3.5 本章小结
4 基于数据聚集预处理的垃圾回收算法
4.1 经典的闪存转换层策略
4.1.1 FTL设计动机
4.1.2 经典FTL算法介绍
4.2 FTL中的垃圾回收
4.2.1 混合映射的垃圾回收
4.2.2 DFTL中的垃圾回收
4.3 数据聚集预处理的垃圾回收算法
4.3.1 设计动机
4.3.2 优化策略创新点
4.3.3 算法流程
4.4 算法时空复杂度分析
4.4.1 算法时间复杂度分析
4.4.2 算法空间复杂度分析
4.5 性能评估与结果分析
4.5.1 实验平台及配置
4.5.2 实验负载分析及性能评估
4.5.3 算法总体性能比较
4.5.4 写入放大值分析
4.5.5 垃圾回收分析
4.5.6 块擦除次数分析
4.5.7 HW_Threshold阈值分析
4.6 本章小结
5 总结与展望
5.1 主要成果
5.2 下一步研究与展望
致谢
参考文献
附录
详细摘要
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于分类策略的聚簇页级闪存转换层算法[J]. 姚英彪,杜晨杰,王发宽. 计算机研究与发展. 2017(01)
[2]基于连续缓存和二级缓存的DFTL改进算法[J]. 姚英彪,沈佐兵. 计算机研究与发展. 2014(09)
[3]一种优化的闪存地址映射方法[J]. 张琦,王林章,张天,邵子立. 软件学报. 2014(02)
博士论文
[1]高性能固态盘的多级并行性及算法研究[D]. 胡洋.华中科技大学 2012
硕士论文
[1]面向固态硬盘应用的高速闪存映射层的设计和研究[D]. 邹宏飞.清华大学 2014
本文编号：3665324
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jisuanjikexuelunwen/3665324.html
