基于PCIE接口混合存储系统的设计与实现

论文摘要

FLASH存储介质的出现已有20多年的历史,随着设计和的工艺改进,以FLASH为存储介质的存储器得到了广泛的应用。近几年,FLASH存储器已经从传统的嵌入式领域扩大到了PC、服务器领域。相变存储器(PCRAM)是一种新型非易失性存储器技术,近年来随着材料科学的发展及制作工艺的进步,PCRAM取得了重大突破。PCRAM作为一种新型非易失性存储器,其多种性能指标优于FLASH存储器。考虑现有的技术条件,结合FLASH成熟的应用技术和PCRAM的优点,设计了一种新型的混合存储器。针对这种混合存储器的特点,参考一些比较成熟的文件系统,设计并实现了一种新的文件系统。该文件系统将元数据、用户数据修改后的更新数据与用户数据相分离,并将元数据、更新数据存储在PCRAM,用户数据存储在FLASH上。对于FLASH中的每个数据块,在PCRAM中都有一定容量空间与之对应。FLASH中的数据被修改后写入与之对应的PCRAM中。超级块用于对文件系统的基本描述,索引位图和数据页位图是一些联系的位,它们用于描述某一索引节点和数据页是否被使用。在新的文件系统中,索引节点域包含了描述和管理每个文件的索引节点。而数据块信息域的另一作用是用于管理FLASH上的块。基于页映射算法给出了新的FLASH转换层(FTL)地址映射算法,并在以下三方面进行了改进:一是使用PCRAM存储FTL元数据,例如页映射表、物理块信息、坏块信息等。这能有效解决原来的页映射算法中的较大的内存开销及重建映射表的时间开销问题;二是新的FTL算法支持逻辑页删除功能,这将减少垃圾回收的开销;三是新的管理方式,通过添加保留块可用于防止当存储器接近用尽时频繁产生的合并操作。针对混合存储器,设计并实现了相应的PCIE接口驱动程序和Linux块设备驱动程序。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题主要研究工作
• 1.4 本文组织结构
• 2 基于PCRAM 与FLASH 的混合存储系统相关技术
• 2.1 相变存储器的特点
• 2.2 基于FLASH 的文件系统
• 2.3 FLASH 转换层（FTL）
• 2.4 混合存储器设计
• 2.5 本章小结
• 3 文件系统的设计与实现
• 3.1 文件系统设计概述
• 3.2 文件系统元数据的管理
• 3.3 文件系统的数据结构
• 3.4 改进的FTL 算法
• 3.5 本章小结
• 4 混合存储器驱动程序的设计与实现
• 4.1 设备驱动程序概述
• 4.2 混合存储器驱动程序的设计与实现
• 4.3 本章小结
• 5 系统功能验证与测试
• 5.1 混合存储器I/O 性能测试
• 5.2 文件系统I/O 性能测试
• 5.3 文件系统可扩展性测试
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献