固态硬盘设计中的关键技术研究

发布时间：2017-05-17 07:13

  本文关键词：固态硬盘设计中的关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：计算机系统经过几十年的发展，在各方面都取得了长足的进步。硬盘的容量虽然有很大的提升，但是其访问速度与计算机的其他部件（如内存、处理器）的速度相比，速度不匹配问题进一步加深，这使得存储子系统成为计算机系统的性能瓶颈。基于NAND闪存的固态硬盘的出现，使这个问题得到一定程度的缓解。然而由于闪存的固有缺陷，基于NAND闪存的固态硬盘也有诸多不尽人意之处，如读写速度差异大、不支持原地更新、擦除次数有限等，这严重影响了它的性能、寿命及可靠性等。本文以基于NAND闪存的固态硬盘设计为研究对象，在分析NAND闪存的基本特性及固态硬盘的构架的基础上，主要研究了固态硬盘设计中的闪存转换层（FTL）算法和缓冲区管理算法。 在闪存转换层设计的研究中，通过分析DFTL算法的缺陷，本文提出了SDFTL（Sequential/Second Cache DFTL）算法，增强了对连续请求的处理能力，减少了由于映射项频繁剔除引起的翻译页更新。该算法新设置连续缓存和二级缓存，连续缓存利用请求的空间局部性，对请求的映射信息进行预取，以提高缓存的命中率，减少对翻译页的读取次数；二级缓存对映射项的剔除策略进行改进，将从一级缓存剔除的、发生更新的映射项暂存在二级缓存中，延迟了映射项的更新时间，并采用批量更新策略回写到闪存，以减少翻译页的写回次数和擦除次数。通过以上两点改进，SDFTL算法能明显改善对连续请求的处理能力，减少系统的平均响应时间。仿真实验表明，SDFTL算法相比DFTL，映射表命中率平均提高41.57%，擦除次数平均减少23.08%，响应时间平均减少17.74%。 在缓冲区管理算法设计的研究中，通过分析BPLRU算法的缺陷，本文提出了一种基于虚拟块的写缓冲区管理算法——VBLRU（Virtual Block-based LRU）算法，减少了缓存项剔除时的额外读写操作，提高了缓冲区的空间利用率。该算法使用虚拟块做为缓冲区管理的基本单元，增加了构成连续请求的可能性，减少了对闪存的额外读写操作；对大块的连续请求不加载到缓冲区中，直接交由FTL处理，提高了缓冲区的利用率。通过以上改进，VBLRU算法能明显减少对闪存的读取次数，有效提高缓冲区的利用率，提高系统的整体性能。仿真实验表明，当缓冲区容量为1MB时，VBLRU算法相比BPLRU，写缓冲区命中率平均提高7.25%，，擦除次数平均减少31.64%，响应时间平均减少22.50%。
【关键词】：固态硬盘 NAND闪存 闪存转换层 缓冲区管理
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333.35
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 研究背景与意义10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 固态硬盘简介10-11
• 1.2.2 固态硬盘的研究热点11-13
• 1.3 论文研究内容13-14
• 1.4 论文组织结构14-15
• 第2章 固态硬盘设计基础15-26
• 2.1 闪存简介15-17
• 2.1.1 闪存的基本概念和分类15
• 2.1.2 NAND 闪存的结构15-16
• 2.1.3 NAND 闪存的分类16-17
• 2.2 固态硬盘的构架17-18
• 2.3 关键技术概述18-23
• 2.3.1 地址映射18-21
• 2.3.2 垃圾回收21-22
• 2.3.3 损耗均衡22-23
• 2.3.4 关键技术总结23
• 2.4 仿真平台的搭建23-24
• 2.5 本章小结24-26
• 第3章 闪存转换层设计26-43
• 3.1 几种经典的 FTL 算法26-31
• 3.1.1 BAST26-27
• 3.1.2 FAST27-29
• 3.1.3 DFTL29-31
• 3.2 SDFTL 设计31-37
• 3.2.1 设计动机31
• 3.2.2 SDFTL 的总体构架31-32
• 3.2.3 关键数据结构32-33
• 3.2.4 SDFTL 的地址映射33
• 3.2.5 定性比较与分析33-37
• 3.3 性能测试与结果分析37-41
• 3.3.1 SDFTL 性能分析37-40
• 3.3.2 SDFTL 与 DFTL、纯页级 FTL 的性能对比分析40-41
• 3.4 本章小结41-43
• 第4章 缓冲区管理设计43-56
• 4.1 缓冲区简介43-44
• 4.1.1 缓冲区的原理概述43-44
• 4.1.2 常见的缓冲区替换策略44
• 4.2 可感知闪存的经典缓冲区管理算法44-46
• 4.2.1 Clean-First LRU44-45
• 4.2.2 Block Padding LRU45-46
• 4.3 VBLRU 设计46-48
• 4.3.1 设计动机46-47
• 4.3.2 VBLRU 的关键技术47-48
• 4.3.3 VBLRU 处理流程48
• 4.4 性能测试与结果分析48-55
• 4.4.1 VBLRU 性能分析50-51
• 4.4.2 VBLRU 与 BPLRU 的性能对比分析51-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第5章 总结与展望56-58
• 5.1 总结56-57
• 5.2 展望57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-63
• 附录63

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本文编号：372778