基于大容量NAND闪存文件系统关键技术研究

论文摘要

闪存(Flash Memory)是嵌入式系统中一种常用的存储介质,具有体积小、容量大、成本低等一系列优点。它最早为人所知是通过U盘的普及。现在,随着手机、数码相机、PDA、便携式游戏机等消费电子产品的日渐普及,闪存在我们日常生活中的使用也越来越广泛。闪存主要分为NOR型和NAND型两类。NOR型闪存拥有独立的数据总线和地址总线,读取速度快,适合存储程序代码,NAND型闪存的数据、地址采用同一总线,读取速度较慢,但擦写速度快,适合大容量文件和数据的存储。随着闪存容量的加大,闪存文件系统的要求也越来越高,它对闪存的存储管理直接影响闪存的性能和工作效率。目前可用于NAND型闪存的文件系统包括集中索引的文件系统和专门针对NAND闪存设计的文件系统。现在已出现多种基于闪存的文件系统,如JFFS/JFFS2、YAFFS、LFM、UBIFS等。闪存文件系统的研究包括以下几个方面的关键技术:(1)数据存储结构。(2)文件管理机制。(3)文件系统加载。(4)垃圾回收机制与磨损均衡处理。本文研究工作建立在闪存文件系统的一些关键技术上,首先对新兴发展的闪存文件系统UBIFS进行深入的研究和分析,详细介绍UBIFS的层次结构,文件日志管理与垃圾回收机制等一些关键技术。并着重分析了UBI子系统的磨损均衡机制。然后从内部结构,数据存储方面分析比较UBIFS与已有的常用闪存文件系统JFFS2之间的性能差异,分析UBIFS性能的优越性。但是通过分析UBIFS文件系统的几个关键技术,还发现了UBIFS中的UBI子系统在管理磨损均衡方面的存在着两大局限性:一是在实际操作中不能很好的适应由擦除块中数据频繁更新造成的部分擦除块磨损次数过多的问题。二是不能有效实现擦除块中冷热数据的搬移。针对上述问题,本文提出了一种基于逻辑擦除块温度和物理擦除块年龄的新的磨损均衡算法,即LTPA(leb temperature peb age)算法。LTPA算法实现把高温的逻辑块映射到青年的物理块中,把低温的逻辑块映射到老年的物理块中。其中逻辑块温度的高低由数据写频率的高低来判断,物理块年龄的大小由擦除次数来决定。在逻辑块层,通过局部操作时间的方法来预测逻辑块的温度。同时用循环队列的方式来管理空闲物理块的分配策略,循环队列中使用二分查找的搜索策略,并实现冷热数据的转换,从而更好的达到了磨损均衡的效果。通过实验仿真比较了LTPA算法与UBI现有的磨损均衡算法性能上的差异。进一步证明了LTPA算法在磨损均衡应用中的优越性。最后针对UBIFS中垃圾回收策略的不足,提出了一种更加合理的垃圾回收改造设计方案,该方案着重考虑脏块中有效数据与脏数据的比例。它是一种基于循环队列的脏块管理垃圾回收策略。该策略应用于UBIFS中时能使闪存文件系统的管理更加高效。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 闪存介绍
• 1.1.2 闪存的读写方式与存储体系结构
• 1.1.3 闪存文件系统介绍及研究现状
• 1.2 本文的主要研究内容
• 1.3 论文的组织结构
• 1.4 本章小结
• 第2章 Linux 文件系统接口
• 2.1 虚拟文件系统
• 2.2 Linux MTD 介绍
• 2.3 本章小结
• 第3章 UBIFS 文件系统的研究与分析
• 3.1 UBIFS 文件系统概述
• 3.2 UBI 子系统分析
• 3.2.1 UBI 模块简介
• 3.2.2 UBI 子系统中几个关键的数据结构
• 3.2.3 UBI 的磨损均衡机制和坏块管理
• 3.3 UBIFS 的分区结构
• 3.4 UBIFS 的索引结构
• 3.5 UBIFS 的日志管理与回写支持
• 3.6 UBIFS 与 JFFS2 性能的分析与比较
• 3.7 UBIFS 存在的问题
• 3.8 本章小结
• 第4章 一种基于逻辑块温度和物理块年龄的磨损均衡算法
• 4.1 LTPA 算法基本思想的描述
• 4.2 基于局部操作时间的逻辑块温度预测方法
• 4.3 基于循环队列的空闲块分配策略
• 4.3.1 循环队列的基本结构
• 4.3.2 循环队列实现空闲块分配的工作过程
• 4.3.3 循环队列空闲块分配的搜索策略
• 4.4 LTPA 算法与UBI 现有的磨损均衡算法实验结果比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于 UBIFS 改进的垃圾回收算法
• 5.1 UBIFS 中现有的垃圾回收算法
• 5.2 基于循环队列脏块管理的垃圾回收策略
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 对本文的总结
• 6.2 对未来工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果