固态硬盘的固件优化研究
发布时间：2022-10-19 11:29
随着云计算、移动互联网、大数据等新一代信息技术的高速发展,数据高效存储与访问逐渐成为存储领域亟待解决的关键问题。基于闪存的固态硬盘（Solid State Drive,SSD）在2014年后开始爆发增长,并对存储市场产生颠覆性的影响,它逐渐成为存储领域的研究热点。然而SSD存在读写性能不对称、不能原地更新、使用寿命短,且无法直接应用在传统的文件系统上等限制。此外,最新的闪存制造技术（如三维堆叠的TLC闪存）虽然使得SSD的存储密度进一步提升和单位容量成本持续下降,但是也对SSD性能与寿命提出更高的挑战。在上述背景下,本文以SSD的固件优化为研究目标,主要研究SSD的闪存转换层设计和基于闪存特性的快写策略,以解决当前SSD遇到的性能和寿命挑战。在闪存转换层的设计中,现有的DFTL及其改进算法未能很好地解决下面3个问题:1)不能充分利用负载的读写特性进行优化设计;2)脏映射项回写机制不够优化,造成翻译页更新频繁;3)用户数据写不区分冷热,造成垃圾回收效率低。针对这些问题,本文提出一种跨层感知的自适应读写分区的闪存转换层算法（ARWFTL）,其创新主要在于:1)根据负载读写特性,设立读写分开...
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 固态硬盘简介
1.3 固态硬盘的固件优化研究现状
1.4 论文主要贡献和章节安排
1.4.1 论文主要贡献
1.4.2 论文章节安排
第2章 固态硬盘设计基础
2.1 闪存芯片简介
2.1.1 NAND闪存的物理结构
2.1.2 NAND闪存的架构与操作原理
2.2 固态硬盘的基本架构
2.3 固态硬盘的闪存转换层
2.3.1 地址映射技术
2.3.2 垃圾回收技术
2.3.3 磨损均衡技术
2.3.4 基于闪存特性折中的优化算法
2.4 本章小结
第3章 闪存转换层设计
3.1 按需的页级 FTL 算法
3.1.1 DFTL算法
3.1.2 HCFTL算法
3.1.3 IRRFTL算法
3.2 ARWFTL算法的设计
3.2.1 算法设计的动机
3.2.2 ARWFTL的总体结构
3.2.3 结构设计详情
3.2.4 W-CMT与 R-CMT的自适应调整
3.3 ARWFTL的处理流程
3.4 性能测试与结果分析
3.4.1 实验设置
3.4.2 ARWFTL参数配置
3.4.3 ARWFTL的性能对比与分析
3.5 本章小结
第4章 基于闪存特性折中的快写策略
4.1 闪存数据写入的实现方式
4.2 闪存存储信道模型
4.2.1 NAND闪存基础
4.2.2 电压分布失真
4.2.3 等效NAND闪存通道模型
4.2.4 闪存信道模型下闪存特性的折中关系
4.3 闪存特性折中的优化算法
4.3.1 OFWAR算法
4.3.2 Dve FTL算法
4.4 热数据感知的快写管理策略
4.4.1 设计动机
4.4.2 总体架构
4.4.3 基于HDAFWM改进的ARWFTL算法
4.4.4 热数据识别窗口的动态调整
4.4.5 基于HDAFWM改进的ARWFTL算法流程
4.5 性能测试与结果分析
4.5.1 实验设置
4.5.2 HDAFWM热数据窗口参数设置
4.5.3 HDAFWM性能分析
4.5.4 快写块的重写开销
4.6 本章小结
第5章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种适用于MLC闪存的CCI噪声均衡化算法[J]. 张旋,周乐,侯爱华. 计算机科学. 2018(S1)
[2]基于缓存映射项重用距离的闪存地址映射方法[J]. 周权彪,张兴军,梁宁静,霍文洁,董小社. 计算机研究与发展. 2018(05)
[3]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)
[4]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)
[5]基于代价的闪存数据库缓冲区置换算法[J]. 汤显,孟小峰,梁智超,卢泽萍. 软件学报. 2011(12)
[6]基于SOPC的固态存储硬盘的设计与实现[J]. 王江峰,苏建. 计算机工程与设计. 2010(24)
[7]Flash存储技术[J]. 郑文静,李明强,舒继武. 计算机研究与发展. 2010(04)
硕士论文
[1]高密度闪存信道仿真及低复杂度纠错技术研究[D]. 林旭昇.广东工业大学 2017
[2]固态硬盘设计中的关键技术研究[D]. 沈佐兵.杭州电子科技大学 2014
本文编号：3693286
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 固态硬盘简介
1.3 固态硬盘的固件优化研究现状
1.4 论文主要贡献和章节安排
1.4.1 论文主要贡献
1.4.2 论文章节安排
第2章 固态硬盘设计基础
2.1 闪存芯片简介
2.1.1 NAND闪存的物理结构
2.1.2 NAND闪存的架构与操作原理
2.2 固态硬盘的基本架构
2.3 固态硬盘的闪存转换层
2.3.1 地址映射技术
2.3.2 垃圾回收技术
2.3.3 磨损均衡技术
2.3.4 基于闪存特性折中的优化算法
2.4 本章小结
第3章 闪存转换层设计
3.1 按需的页级 FTL 算法
3.1.1 DFTL算法
3.1.2 HCFTL算法
3.1.3 IRRFTL算法
3.2 ARWFTL算法的设计
3.2.1 算法设计的动机
3.2.2 ARWFTL的总体结构
3.2.3 结构设计详情
3.2.4 W-CMT与 R-CMT的自适应调整
3.3 ARWFTL的处理流程
3.4 性能测试与结果分析
3.4.1 实验设置
3.4.2 ARWFTL参数配置
3.4.3 ARWFTL的性能对比与分析
3.5 本章小结
第4章 基于闪存特性折中的快写策略
4.1 闪存数据写入的实现方式
4.2 闪存存储信道模型
4.2.1 NAND闪存基础
4.2.2 电压分布失真
4.2.3 等效NAND闪存通道模型
4.2.4 闪存信道模型下闪存特性的折中关系
4.3 闪存特性折中的优化算法
4.3.1 OFWAR算法
4.3.2 Dve FTL算法
4.4 热数据感知的快写管理策略
4.4.1 设计动机
4.4.2 总体架构
4.4.3 基于HDAFWM改进的ARWFTL算法
4.4.4 热数据识别窗口的动态调整
4.4.5 基于HDAFWM改进的ARWFTL算法流程
4.5 性能测试与结果分析
4.5.1 实验设置
4.5.2 HDAFWM热数据窗口参数设置
4.5.3 HDAFWM性能分析
4.5.4 快写块的重写开销
4.6 本章小结
第5章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种适用于MLC闪存的CCI噪声均衡化算法[J]. 张旋,周乐,侯爱华. 计算机科学. 2018(S1)
[2]基于缓存映射项重用距离的闪存地址映射方法[J]. 周权彪,张兴军,梁宁静,霍文洁,董小社. 计算机研究与发展. 2018(05)
[3]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)
[4]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)
[5]基于代价的闪存数据库缓冲区置换算法[J]. 汤显,孟小峰,梁智超,卢泽萍. 软件学报. 2011(12)
[6]基于SOPC的固态存储硬盘的设计与实现[J]. 王江峰,苏建. 计算机工程与设计. 2010(24)
[7]Flash存储技术[J]. 郑文静,李明强,舒继武. 计算机研究与发展. 2010(04)
硕士论文
[1]高密度闪存信道仿真及低复杂度纠错技术研究[D]. 林旭昇.广东工业大学 2017
[2]固态硬盘设计中的关键技术研究[D]. 沈佐兵.杭州电子科技大学 2014
本文编号：3693286
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