面向固态硬盘应用的高速闪存映射层的设计和研究

发布时间：2017-06-28 19:04

  本文关键词：面向固态硬盘应用的高速闪存映射层的设计和研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近几年，NAND型闪存在消费电子、工业控制等各种领域得到了广泛的应用。但是随着NAND闪存工艺尺寸节点的不断下降和多电平技术的广泛使用，NAND闪存的器件特性不断退化，具体表现为耐擦写次数下降、读写速度降低、可靠性变差。另外，消费电子、服务器等领域的应用要求基于NAND闪存的固态硬盘具有更快的速度、更高的可靠性、更长的寿命和更低廉的价格。这种矛盾关系促使NAND闪存控制技术变得更加不可或缺，并成为固态硬盘的核心技术之一。固态硬盘的闪存映射层包含了大部分存储控制技术。在对闪存映射层进行设计和实现时，需要对系统寿命、速度性能、资源开销和可靠性等指标进行折中，同时还需要考虑长期使用导致的系统性能退化和对多种不同应用的支持。 本论文设计并实现了一个高速闪存映射层系统，主要工作包括闪存映射层的整体结构设计工作和地址映射、垃圾回收、磨损均衡、坏块管理等模块的优化设计工作；重点对磨损均衡技术进行了深入研究，提出了变阈值三池磨损均衡算法和块状态表磨损均衡算法。同时，搭建了闪存映射层系统软件和硬件评测平台，从软件和硬件两个方面对本论文实现的闪存映射层系统进行评测。其中软件评测主要是对闪存映射层“功能性”的测试，重点对磨损均衡模块进行了评测，使用六种不同的测试激励，对比了四种经典的磨损均衡算法。硬件评测主要是在FPGA上对闪存映射层的速度性能进行评测。 软硬件评测结果表明，本论文设计的闪存映射层系统在整个闪存的寿命周期都有较好地速度性能，能够满足高速应用的要求。所提出的变阈值三池磨损均衡算法在不同应用测试激励下都能很好地提高存储系统的寿命；块状态表磨损均衡算法在显著降低磨损均衡内存开销的基础上，仍然能够较好地保证存储系统的寿命。
【关键词】：NAND-Flash 固态硬盘 闪存映射层 磨损均衡 闪存控制器
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333.35
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 引言8-21
• 1.1 NAND Flash 的发展、现状和面临的挑战8-14
• 1.1.1 NAND 闪存的原理和物理结构8-10
• 1.1.2 NAND Flash 的发展现状10-12
• 1.1.3 NAND 闪存技术面临的挑战12-14
• 1.2 固态硬盘的发展现状和趋势14-17
• 1.2.1 固态硬盘的发展和现状15-17
• 1.2.2 固态硬盘的发展对存储管理技术提出的新要求17
• 1.3 闪存映射层概述及设计时需要面临的挑战17-19
• 1.4 本论文研究工作重点和组织结构19-21
• 第2章 对磨损均衡算法和闪存映射层的研究和实现21-50
• 2.1 本章引论21
• 2.2 闪存映射层系统架构设计21-22
• 2.3 地址映射策略22-27
• 2.3.1 地址映射简介22-23
• 2.3.2 地址映射策略设计23-27
• 2.4 磨损均衡策略27-44
• 2.4.1 磨损均衡算法的发展概述27
• 2.4.2 典型磨损均衡算法介绍27-29
• 2.4.3 三池算法介绍29-33
• 2.4.4 变阈值三池算法的研究33-38
• 2.4.5 块状态表算法的研究38-42
• 2.4.6 硬件加速模块的研究42-44
• 2.5 垃圾回收策略44-47
• 2.5.1 垃圾回收简介44-45
• 2.5.2 垃圾回收策略的设计45-47
• 2.6 坏块管理策略47-49
• 2.6.1 坏块管理策略简介47
• 2.6.2 坏块管理策略的实现47-49
• 2.7 本章小结49-50
• 第3章 闪存映射层系统软硬件评测平台的设计50-63
• 3.1 本章引论50
• 3.2 软件测试平台的搭建50-54
• 3.2.1 软件评测平台系统架构设计51
• 3.2.2 软件评测平台的搭建51-54
• 3.4 FPGA 硬件平台搭建54-62
• 3.4.1 硬件评测平台系统架构54-56
• 3.4.2 基于 SOPC 的软硬协同系统搭建56
• 3.4.3 NAND 闪存驱动模块搭建56-61
• 3.4.4 物理队列设计61-62
• 3.4.5 硬件评测平台综合结果62
• 3.5 本章小结62-63
• 第4章 软硬件评测平台测评63-93
• 4.1 本章引论63
• 4.2 测试方法和指标63-67
• 4.2.1 SSD 测试和磨损均衡评测关键指标63-65
• 4.2.2 SSD 测试激励65-66
• 4.2.3 测试目标66
• 4.2.4 磨损均衡对比算法66-67
• 4.3 软件仿真测评67-80
• 4.3.1 垃圾回收效率测试67-68
• 4.3.2 磨损均衡算法测试68-80
• 4.4 硬件平台测评80-91
• 4.4.1 不同算法的运行响应时间81-86
• 4.4.2 不同地址映射策略响应时间测试86-87
• 4.4.3 硬件加速模块测试87-89
• 4.4.4 NFC 模块测试89-91
• 4.4.5 硬件评测小结91
• 4.5 本章小结91-93
• 第5章 总结与展望93-95
• 5.1 论文工作总结93-94
• 5.2 可进一步开展的工作94-95
• 参考文献95-99
• 致谢99-100
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果100

【共引文献】

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本文编号：494932