闪存文件系统UBIFS的分析与优化

论文摘要

闪存(Flash Memory)是一种常用于嵌入式系统的外存储器,具有非易失、抗震荡、低功耗、体积小等优点。闪存主要包括两种类型：NAND型和NOR型。近年来,随着NAND型闪存容量的快速增长,性价比的不断提高,它比NOR型闪存更加广泛地应用于日常消费电子产品中。闪存的普及不但取决于物理特性的优劣,还取决于闪存文件系统的数据管理性能。传统的闪存文件系统已经不能满足用户在大容量NAND型闪存环境下对挂载速度、内存消耗、读写速度、磨损均衡等指标的要求。作为新一代的闪存文件系统,UBIFS是在Linux环境下实现的日志结构文件系统,解决了NAND型闪存作为MTD设备使用时遇到的若干技术瓶颈,具有广泛的应用前景。本文展开了UBIFS的分析研究工作,并在快速挂载和热数据识别方面设计了两种优化方案,改进后的UBIFS达到了预定的优化目标,具有一定的学术价值。目前有关UBIFS的中文分析文献数量很少,对UBIFS文件系统的详细分析就显得有必要。本文概括介绍了UBIFS的系统结构,并且从UBI模块和UBIFS模块两个角度出发对UBIFS的设计原理进行了阐述,分析了映射管理、磨损均衡和文件索引等关键技术。针对分析过程中发现的问题,本文分别在两个层次上提出了优化方案。在UBI模块层,提出了一种以关机速度变慢为代价换取开机速度提高的优化方案。随着闪存容量的不断增大,挂载UBI模块时扫描所有物理块头部信息的时间也不断增加,导致嵌入式系统的启动变慢,这限制了UBIFS在大容量闪存领域的应用前景。UBI模块卸载时将物理块的头部信息集中保存到预留块中,下次挂载时直接从预留块中读取头部信息,这样可以减少物理块的扫描时间,从而加快开机速度。测试结果表明,该优化方案可以显著提高UBI模块的挂载速度。在UBIFS模块层,写入数据被分为三种类型,不同类型的数据采用不同的物理块分配策略。但是,这种数据分类方法是静态的,无法动态识别用户数据中的热数据,从而影响了磨损均衡性能。通过借鉴内存页面置换算法,本文提出了两级LRU(Least Recently Used)算法,并作为热数据识别算法引入到UBIFS中,使数据的分类更加准确。经过实验验证,两级LRU算法可以提高UBIFS文件系统的磨损均衡性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究背景
• 1.1.1 闪存存储器概述
• 1.1.2 闪存文件系统概述
• 1.1.3 UBIFS文件系统概述
• 1.2 本文的研究内容
• 1.3 本文的组织结构
• 第二章 闪存及其文件系统的介绍
• 2.1 闪存存储器
• 2.1.1 闪存存储器的介绍
• 2.1.2 闪存存储器的分类
• 2.1.3 NAND型闪存的介绍
• 2.2 闪存文件系统
• 2.2.1 文件系统的设计方法
• 2.2.2 常见的闪存文件系统
• 2.3 闪存文件系统的性能比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 UBIFS文件系统的分析
• 3.1 UBIFS文件系统的介绍
• 3.2 UBI模块分析
• 3.2.1 UBI模块简介
• 3.2.2 UBI的重要数据结构
• 3.2.3 UBI的映射管理
• 3.2.4 UBI的磨损均衡
• 3.3 UBIFS模块分析
• 3.3.1 UBIFS的分区布局
• 3.3.2 UBIFS的文件索引
• 3.4 本章小结
• 第四章 UBI模块挂载的优化方案
• 4.1 UBI模块挂载分析
• 4.2 UBI挂载的优化方案
• 4.3 优化方案的实现
• 4.3.1 UBI模块卸载流程设计
• 4.3.2 UBI模块挂载流程设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于UBIFS的热数据识别算法
• 5.1 UBIFS数据分类机制的局限性
• 5.2 常见的热数据识别方法
• 5.3 两级LRU算法
• 5.4 两级LRU算法的实现
• 5.5 本章小结
• 第六章 实验与结果分析
• 6.1 实验环境与测试工具
• 6.2 实验环境的搭建
• 6.2.1 挂载UBIFS的步骤
• 6.2.2 挂载UBIFS映像的步骤
• 6.3 测试结果分析
• 6.3.1 UBI挂载优化方案
• 6.3.2 热数据识别算法
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录 缩略语中英文对照表
• 附录 研究生期间论文发表