NAND文件系统的研究

论文摘要

NAND闪存广泛的应用于手机,媒体播放器,数码相机等嵌入式系统,提供了低成本的存储解决方案。NAND技术的发展由大容量和高效的存储需求驱动,新型的MLC型芯片存储密度更高,故成本低于SLC型。NAND使用上的限制是:以块为单位擦写后才能完成数据位的清除,块的擦写周期有限,介于1万到10万,一旦块被过多擦写,超过其擦写周期,则块不能可靠的存储数据;由可靠性问题决定,要有ECC校验算法来检测并修正使用过程中随机出现的位错误。对SLC型NAND芯片仅使用能完成1位纠错的校验算法,MLC型芯片使用过程中出错概率的增加,要用多位的纠错算法来保证数据的可靠。这种趋势决定了NAND存储系统要有高效的存储结构和算法来支持。有两种方法来解决NAND的限制:一是使用传统的磁盘文件系统加闪存转换层,如FAT+NFTL;第二种更有效的方法是在NAND上直接使用闪存文件系统如JFFS2,YAFFS。本文研究专为NAND设计的YAFFS文件系统,包括数据存储结构,加载速度,损耗平衡,垃圾收集等,并在开发板上,评测其两个版本YAFFS2和YAFFS1的性能。由于NAND芯片容量的增加,文件系统加载速度比原来更重要。YAFFS没有集中索引区,元数据分布在闪存页上,YAFFS1的加载要扫描整个闪存,这个过程耗时较多,YAFFS2使用快照方法,加载时间大大减少,但在掉电的情况下这种方法失效,则要使用原先的扫描方法,并且数据可能处于不一致的状态。本文使用日志记录的方法来解决这个问题,并设计了一种检测掉电的方法。日志记录用来跟踪文件系统的变化,与快照方法相结合,掉电后只要扫描存放日志记录的闪存页完成加载,考虑到损耗平衡的问题,日志记录的存储位置并不固定。由实验结果表明,加载速度较YAFFS1的扫描方法要快,保证了文件系统的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究内容
• 1.3 文章安排
• 第二章 NAND 闪存技术综述
• 2.1 闪存的存储原理及分类
• 2.2 NAND 闪存的分类与技术特点
• 2.3 NAND 闪存使用时要注意的问题
• 2.4 本章小结
• 第三章 NAND 文件系统综述
• 3.1 NAND 文件系统要解决问题
• 3.2 闪存转换层FTL 技术
• 3.3 日志文件系统的技术背景
• 3.4 Linux 下的闪存日志文件系统
• 3.5 本章小结
• 第四章 NAND 文件系统YAFFS 的分析
• 4.1 YAFFS 的数据存储设计
• 4.1.1 YAFFS 在NAND 的数据存储格式.
• 4.1.2 YAFFS 的内存数据结构
• 4.2 文件索引结构 Tnode 树
• 4.3 文件操作
• 4.4 YAFFS 的接口函数
• 4.5 损耗平衡策略和垃圾回收算法
• 4.6 ECC 算法和OOB 区的使用
• 4.7 影响YAFFS 性能的若干因素
• 4.8 本章小结
• 第五章 掉电后 YAFFS2 的快速加载和数据恢复的实现
• 5.1 YAFFS1 和 YAFFS2 的加载
• 5.2 YAFFS 掉电后的情况
• 5.3 掉电后快速加载的方法
• 5.4 掉电的识别和 header 块的设计
• 5.5 日志记录及其提交的时机
• 5.6 闪存块的分类
• 5.7 对空间使用信息和数据保护的处理
• 5.8 回滚时日志记录的合并
• 5.9 系统状态恢复的流程
• 5.10 本章小结
• 第六章 性能测试
• 6.1 实验平台硬件介绍
• 6.2 实验平台软件环境移植
• 6.2.1 YAFFS 文件系统镜像的制作原理
• 6.2.2 vivi 的移植
• 6.2.3 内核与YAFFS 移植过程
• 6.3 YAFFS 性能测量与模拟掉电的方法
• 6.4 YAFFS 加载性能
• 6.5 读写性能与损耗平衡测量
• 6.6 本文方法在掉电后加载和数据保护的性能
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录：掉电后加载的实现