闪存存储管理研究

论文摘要

闪存是近年来出现的一种新型存储介质,由于具有非易失性、高速、高抗震性、低功耗、小巧轻便等优良特性,闪存被广泛应用于嵌入式系统和便携式设备。由于早期闪存容量较小,因此闪存的应用原来大都局限在手机、数码相机、便携式媒体播放器等领域,但随着闪存容量的快速提高以及价格的不断降低,闪存逐渐开始应用于传统磁盘的应用领域。随着闪存的应用日益广泛,闪存逐渐成为一种重要的二级存储设备,所以闪存存储管理越来越受到研究者们的关注。由于在最近的几十年中,磁盘一直是主流的存储介质,所以目前主流的存储管理技术大多是基于磁盘的特性进行设计的。而现有的基于磁盘的存储管理机制无法直接支持闪存设备,其原因在于闪存与磁盘在物理结构、存取方式等方面均存在着显著的差异。因此,针对闪存特性,研究高效的闪存存储管理机制,具有十分重要的理论意义和应用价值。本论文对闪存存储管理领域的已有研究成果进行了总结,分析了闪存存储管理的关键问题,并在空间分配、垃圾回收、缓冲区置换策略等方面进行了研究,提出了相应的解决方法。论文首先对闪存的特性进行分析和总结,比较了NAND闪存和NOR闪存的异同,并对闪存存储管理领域的关键问题进行了详细介绍。空间分配是闪存存储管理中的一个关键问题。论文提出一种基于块集的闪存存储管理方法,根据逻辑块的更新负载将其分为冷块和热块,并采用不同的管理方式,从而在擦除次数和闪存空间利用率之间取得了良好的平衡。垃圾回收是闪存存储管理中的一个研究热点。论文提出一种基于双替换块模式的垃圾回收机制,根据逻辑块的更新页数目对其进行区分,并采用不同的管理方式,从而降低了垃圾回收的有效页复制开销。论文还关注了针对闪存的缓冲区页面置换算法,提出一种基于预期闪存访问开销的缓冲区置换算法,针对闪存写代价显著高于读代价的特性,根据页面的读写负载,对页面的预期访问开销进行评估,优先换出预期访问开销最低的页,从而降低了闪存访问开销。论文的主要贡献包括以下几个方面:(1)提出一种基于块集的闪存存储管理机制。该机制根据逻辑块的更新负载将其分为热块和冷块,并采用不同的管理方式,从而减少了擦除次数,同时也具有较好的空间利用率。(2)提出一种基于双替换块模式的垃圾回收机制。该机制根据逻辑块的更新页数目对其进行区分,并采用不同的管理方式,从而降低了垃圾回收的有效页复制开销,减少了擦除次数,并提高了垃圾回收效率。(3)提出一种基于预期闪存访问开销的缓冲区置换算法。该算法针对闪存写代价显著高于读代价的特性,根据页面的读写负载对其预期闪存访问开销进行评估,优先换出预期闪存访问开销最低的页,从而降低了闪存访问开销,并能够适应不同读写比例的访问负载。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 闪存存储管理概述
• 1.2.1 管理方式
• 1.2.2 闪存文件系统
• 1.2.3 闪存转换层
• 1.2.4 闪存数据库
• 1.3 闪存存储管理关键问题
• 1.3.1 空间分配与垃圾回收
• 1.3.2 损耗均匀
• 1.3.3 快速启动
• 1.3.4 缓冲区管理
• 1.4 本文的工作
• 1.4.1 尚未解决的关键问题
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究意义
• 1.4.4 文献综述
• 1.5 本文的组织
• 第2章 闪存特性
• 2.1 引言
• 2.2 闪速存储器
• 2.2.1 闪存的优点
• 2.2.2 闪存的广泛应用
• 2.3 闪存芯片
• 2.3.1 闪存芯片的类型
• 2.3.2 NAND 闪存和NOR 闪存的差异
• 2.3.3 NAND 闪存和NOR 闪存的共性
• 2.4 小结
• 第3章 基于块集的闪存存储管理方法
• 3.1 引言
• 3.2 相关工作
• 3.2.1 闪存特性分析
• 3.2.2 FTL 及同类工作
• 3.2.3 NFTL
• 3.2.4 FAST
• 3.3 BSFTL 概述
• 3.3.1 设计动机
• 3.3.2 相关概念定义
• 3.3.3 基本思路
• 3.4 BSFTL 关键算法设计
• 3.4.1 页面更新算法
• 3.4.2 冷热调整机制
• 3.4.3 块集调整机制
• 3.4.4 垃圾回收机制
• 3.5 实验及分析
• 3.5.1 实验设计
• 3.5.2 垃圾回收实验分析
• 3.5.3 空间利用率实验分析
• 3.6 小结
• 第4章 基于双替换块模式的垃圾回收机制
• 4.1 引言
• 4.2 相关研究
• 4.2.1 页级闪存存储管理的垃圾回收
• 4.2.2 块级闪存存储管理的垃圾回收
• 4.3 DRBFTL 概述
• 4.3.1 设计动机
• 4.3.2 相关概念定义
• 4.3.3 基本思路
• 4.4 DRBFTL 关键算法设计
• 4.4.1 页面更新请求处理算法
• 4.4.2 单双替换块模式转换机制
• 4.4.3 双替换块模式迁移机制
• 4.4.4 双替换块模式合并机制
• 4.5 实验及分析
• 4.5.1 实验设计
• 4.5.2 实验结果及分析
• 4.6 小结
• 第5章 基于预期访问开销的缓冲区置换算法
• 5.1 引言
• 5.2 相关工作
• 5.2.1 闪存特性分析
• 5.2.2 针对闪存的缓冲区置换算法
• 5.3 LEAC 概述
• 5.3.1 设计动机
• 5.3.2 相关概念定义
• 5.3.3 基本思路
• 5.4 LEAC 关键算法设计
• 5.4.1 页面预期访问开销评估
• 5.4.2 重用概率评估
• 5.4.3 页面访问请求处理算法
• 5.5 实验及分析
• 5.5.1 实验设计
• 5.5.2 实验结果及分析
• 5.6 小结
• 第6章 结束语
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 本文的主要贡献和创新点
• 6.3 下一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文
• 在读期间参加的科研项目