盘阵列中基于分组的缓存优化技术研究与实现

论文摘要

随着信息科学技术的高速发展,人们对海量信息存储的需求日益增长, CPU的处理速度和存储设备I/O处理速度之间的差距越来越大,磁盘I/O成为影响计算机系统性能的主要因素。为了弥补两者处理速度的巨大差异,盘阵列系统中加入了Cache来缓存并管理数据,以尽可能减少读写磁盘的开销,缩短I/O请求的响应时间,从而提高存储系统的I/O性能。如何合理地组织与管理Cache,发挥其最大效益,使得整个系统高效快速的运行,一直是存储界研究的热门课题。提升Cache性能关键是要提高Cache的命中率,减少页面I/O时间。而合理的Cache组织和调度策略,是提高查找效率和命中率的关键。设计了使用基树(Radix Tree)Cache,可实现快速定位,缩短检索时间;并在最近最少使用调度算法基础上,利用空间局部性,将地址相邻的Cache动态分组,改进Cache替换策略,利用优化预取策略、回写策略,提高Cache命中率,减少IO时间,提升数据读写速度。Cache分组思想是对于Cache的操作都在分组上实现,当有数据访问命中时,根据空间局部原理,分组内其他Cache块与命中Cache块地址接近,在将来可能会被访问,所以将整个分组内的Cache全部提到队列前面。这样一方面可以提高Cache的命中率,另外一方面还可以保持Cache地址连续性,Cache回写时以分组为单位,连续写回磁盘时有效地减少磁头物理寻道与旋转时间,进而减少IO时间。同时对于多用户数据访问造成的数据随机性,通过分组搜索可以有效分离出每个用户访问的顺序性数据。系统测试结果显示分组Cache优化可以有效提高Cache命中率和IO访问速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 Cache 调度技术的研究概况
• 1.3 盘阵列Cache 相关研究
• 1.4 本文研究的内容和组织
• 2 基于基树的Cache 组织结构
• 2.1 Cache 系统环境设计平台
• 2.2 盘阵列Cache 的组织与分布
• 2.3 Cache 的基本调度
• 2.4 Cache 操作流程
• 2.5 本章小结
• 3 分组Cache 设计
• 3.1 Cache 分组
• 3.2 分组调度问题分析
• 3.3 Cache 分组调度策略设计
• 3.4 本章小结
• 4 分组Cache 优化实现
• 4.1 分组Cache 功能模块
• 4.2 分组实现的数据结构
• 4.3 Cache 的初始化操作
• 4.4 分组实现的数据访问流程
• 4.5 本章小结
• 5 性能分析与测试
• 5.1 测试环境
• 5.2 测试流程
• 5.3 读数据测试
• 5.4 写数据测试
• 5.5 平均IO 响应时间
• 5.6 测试总结
• 6 总结和展望
• 致谢
• 参考文献