固态硬盘存储管理与差错控制技术研究

论文摘要

随着现代科技的迅速发展,未来作战样式也将发生重大改变,战场电磁环境日益复杂,高端装备不断涌现,作战态势瞬息万变。使得在信息化条件下作战和训练产生的各种数据呈几何级数增长,这对信息的大量交换和数据的快速存取提出了迫切的需求。硬盘作为信息交换和数据存储的载体,在信息化装备发展的过程中占据着重要地位。传统机械硬盘在抗震动、抗高低温、湿热环境等方面具有缺陷,且性能较低,因此需要在工业,特别是军事工业领域中广泛采用固态存储技术。针对当前军事领域存储设备所面临的问题,本设计采用固态硬盘解决方案。本系统以FPGA（Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列）作为控制芯片,以NAND Flash闪存作为存储介质,无机械装置,具有抗震、宽温、无噪、可靠和节能等特点,是解决目前军队数据存储领域所存在问题的有效方案之一。本文的主要研究内容包括以下几点:（1）阐述课题的研究意义,并介绍固态存储系统关键技术的发展现状和课题的研究内容、主要工作;（2）固态硬盘存储管理算法研究。重点分析地址映射技术,研究页级、块级和混合级地址映射;由于NAND Flash存在擦写坏块和固有坏块,文章分析坏块管理技术;在无效块回收算法中,对GCbTL脏块回收算法中的数据温度和脏块回收计算公式进行进一步推导和改进,提高定义数据温度的灵活性和无效块回收的效率;针对NAND Flash数据写入前块擦除操作带来的磨损问题,分析研究Dual-Pool损耗均衡算法,并对其I/O效率较低的问题,提出了基于I/O预测的改进Dual-Pool算法,通过测试证明改进算法在不明显影响损耗均衡效果的情况下,提高了闪存的I/O性能;（3）由于传统的固态盘纠错校验采用Hamming码方式,它只能检测2位错误,纠正1位错误,不能完全满足军用领域的要求,本设计采用BCH（4200,4096,8）码,能实现8位错误的纠正,大大提高了数据传输的可靠性;（4）固态硬盘的硬件设计,实现系统的SATA协议逻辑模块和NAND Flash存储管理模块,完成固态硬盘功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 机械硬盘与固态硬盘性能比较
• 1.3 固态硬盘存储介质 NAND Flash 特征
• 1.4 固态硬盘存储管理和差错控制技术研究现状
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 固态硬盘存储管理算法研究
• 2.1 地址映射技术
• 2.1.1 块级地址映射
• 2.1.2 页级地址映射
• 2.1.3 混合级地址映射
• 2.2 坏块管理技术
• 2.2.1 坏块定义与分类
• 2.2.2 坏块列表建立与更新
• 2.3 一种改进的无效块回收算法研究
• 2.3.1 典型无效块回收算法分析
• 2.3.2 基于更新时间戳机制的改进GCbTL 无效块回收算法
• 2.3.3 算法验证
• 2.4 基于I/O 预测的改进Dual-Pool 损耗均衡算法研究
• 2.4.1 损耗均衡技术的必要性
• 2.4.2 损耗均衡算法
• 2.4.3 基于I/O 预测的改进Dual-Pool 损耗均衡算法
• 2.4.4 算法验证
• 2.5 本章小结
• 第三章 固态硬盘差错控制技术
• 3.1 二元BCH 码的特性分析
• 3.2 BCH 编码设计
• 3.3 BCH 译码设计
• 3.3.1 BCH 码的伴随式计算器设计
• 3.3.2 求解错误位置多项式? （ x）
• 3.3.3 译码器系统设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 固态硬盘硬件系统设计与实现
• 4.1 固态硬盘系统架构设计
• 4.2 SATA 协议逻辑模块设计
• 4.2.1 SATA 协议逻辑总体架构设计
• 4.2.2 SATA 协议逻辑结构模块实现
• 4.3 NAND flash 存储管理模块设计
• 4.3.1 模块整体设计
• 4.3.2 寄存器配置
• 4.4 系统整体性能测试
• 4.4.1 HD tach 测试
• 4.4.2 IO Meter 测试
• 4.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果