（计算机科学与技术专业论文）固态驱动器的模拟及性能优化技术研究.pdf

闷防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 摘要 数据是信息化社会的中心，随着数据的爆炸式增长，传统存储设备在应用中 逐渐暴露出很多缺陷：外围存储设备不能保证主机对数据的需求，大量的机械部 件的使用提升了存储子系统的功耗也导致系统的稳定和可靠性下降。因此基于 f l a s h 技术的固态驱动器技术逐渐成为外围存储设备研究的焦点，固态驱动器的读 写性能相对磁盘具有一定的优势；而且由于固态驱动器没有机械设备，且其驱动 电压较低，可以降低功耗并提高了固态驱动器的抗震性和可靠性。 固态驱动器存在读写1 对称的问题，虽然固态驱动器的读性能优势明显，但 是由于f l a s h 本身的特点，其写性能并1 具备太大的优势，而日由于f l a s h 的“区 块擦除”特性，在进行写入时必须要执行擦除操作又进一步导致其写性能的下降。 另外f l a s h 存储器由于写入次数的增加会存在磨损的问题，随着磨损的积累，会导 致存储单元的性能下降甚至失效。 论文针对固态驱动器的缺点，在固态驱动器及其实现关键技术进行分析研究 的基础上，对固态驱动器结构及闪存转换层技术进行了深入分析和研究，主要工 作包括： 当前对固态驱动器的研究主要集中于闪存转换层的研究，但是由于对闪存转 换层的研究缺乏统一的平台和性能评估模型，导致对闪存转换层的研究存在很多 不一致性。目前对闪存转换层的研究方法主要是利用模拟的方法对性能进行评估， 为了避免由于模型建立不一致导致的性能评估的小一致性，本文从固态驱动器的 存储模型的建立入手设计并实现了一个比较完善的、可配置的固态存储器的模拟 器作为统一的闪存转换层的性能评估平台。 本文进一步分析了经典的闪存转换层算法n f l t 算法的工作原理及其缺陷， 深入研究了n f t l 算法使用当前大容量的固态驱动器的局限性和不足，在充分了 解n f t l 的基础上，使用了当前地址指针、有效位图、反向映射表等技术改进了 该算法，并将对读写性能影响最大的操作一一扫描保留区的操作转移到存控的 r a m 中进行，改进了读写性能，并优化了垃圾回收机制。 最后，本文利用固态驱动器模拟器对改进后的算法进行了性能评估，并验证 了改进算法带来的性能提升。 本文的研究和获得的结果可以为进一步对固态驱动器结构和闪存转换层的研 究提供帮助和借鉴。 主题词：n a n df l a s h ，固态驱动器，闪存转换层，模拟器，n f t l 算法 第i 页 卜q 防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 a b s t r a c t d a t ai st h ec e n t e ro ft h ei n f o r m a t i o ns o c i e t y ；d a t as t o r a g ei sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t i nt h ea p p l i c a t i o no ft r a d i t i o n a ls t o r a g ed e v i c e sg r a d u a l l yr e v e a l e dm a n y s h o r t c o m i n g s ：t h ec u r r e n tp e r i p h e r a ls t o r a g ed e v i c ec a n n o tg u a r a n t e et h a tt h eh o s to f d a t ar e q u i r e m e n t s ；al a r g en u m b e ro fm e c h a n i c a lc o m p o n e n t su s e dt oe n h a n c et h e s t o r a g es u b s y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o nh a sa l s o l e dt ot h es y s t e m ss t a b i l i t ya n d d e c r e a s e dr e l i a b i l i t y b a s e do nf l a s ht e c h n o l o g y ，s o l i d - s t a t ed r i v et e c h n o l o g yh a s g r a d u a l l yb e c o m et h ef o c u so ft h es t u d yt h ee x t e r n a ls t o r a g ed e v i c e s ，s o l i d - s t a t ed r i v e r e a da n dw r i t ep e r f o r m a n c eo ft h er e l a t i v ed i s kh a sc e r t a i na d v a n t a g e s ；a n ds o l i d - s t a t e d r i v e sd on o th a v em a c h i n e r y ，a n di t sl o wd r i v i n gv o l t a g ec a nr e d u c ep o w e r c o n s u m p t i o na n di m p r o v e ds o l i d - s t a t ed r i v e ，a n t i s e i s m i ca n dr e l i a b i l i t y h o w e v e r ，a s y m m e t r i cs o l i d - s t a t ed r i v er e a da n dw r i t e ，a l t h o u g ht h es o l i d s t a t e d r i v e sr e a dp e r f o r m a n c ea d v a n t a g e sa r eo b v i o u s ，b u td u et of l a s h so w nc h a r a c t e r i s t i c s ， i t sw r i t ep e r f o r m a n c ed i dn o th a v em u c ha d v a n t a g e ，a n db e c a u s eo ff l a s h s ”b l o c k e r a s e ”f e a t u r e ，t h a tt h ee r a s eo p e r a t i o nm u s tb ec a r r i e do u ta h e a dt h ew r i t eo p e r a t i o n , l e a dt oaf u r t h e rd e c l i n ei nw r i t i n gp e r f o r m a n c e a l s ot h ew r i t eo ff l a s hm e m o r yl e a dt o t h ei n c r e a s ei nw e a r i n gp r o b l e m s ，w i t ht h ea c c u m u l a t i o no fw e a r i n gw i l lr e s u l ti nt h e m e m o r yc e l lp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o na n de v e nf a i l u r e t h i st h e s i sf o c u so nt h em e t h o d st oc o n q u e rt h es h o r t c o m i n g so fs o l i d - s t a t ed r i v e b a s e do nt h ea n a l y s i so fs o l i d - s t a t ed r i v ea n di t sk e yi m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h i s t h e s i ss t u d i e so nt h es t r u c t u r ea n ds o l i d s t a t ed r i v e sf l a s ht r a n s l a t i o nl a y e r t e c h n o l o g y ，t h em a i nw o r ka n dt h ei n n o v a t i o n si n c l u d e ： c u r r e n tr e s e a r c ho ns o l i d s t a t ed r i v ef o c u s e so nt h es t u d y ，f l a s ht r a n s l a t i o nl a y e r ， b u td u et ot h el a c ko fau n i f i e dp l a t f o r mf o rt h es t u d ya n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n m o d e l s ，l e a d i n gt om a n yi n c o n s i s t e n c i e si nt h es t u d y f l a s hc o n v e r s i o nl a y e rp r e s e n tt h e m a i nr e s e a r c hm e t h o di st ou s es i m u l a t i o nm e t h o d st oa s s e s sp e r f o r m a n c e ，i no r d e rt o a v o i di n c o n s i s t e n c i e sd u et om o d e l i n gp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nr e s u l to ft h e i n c o n s i s t e n c y ，t h i st h e s i ss t a r tf r o mc o n s t r u c t i n gt h es o l i d s t a t ed r i v es t o r a g em o d e l ， d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dam o r ec o m p r e h e n s i v ea n dc o n f i g u r a b l e s i m u l a t o ro f s o l i d s t a t ed r i v e t h i st h e s i sf u r t h e ra n a l y s i so fn f l ta l g o r i t h m ，ac l a s s i c a la l g o r i t h mf o rt h ef l a s h t r a n s l a t i o nl a y e r sw o r k i n gp a t t e r na n di t ss h o r t c o m i n g s ，a n ds t u d yt h el i m i t a t i o n so f t h en f t la l g o r i t h mu s i n go nt h ec u r r e n tl a r g e c a p a c i t ys o l i d - s t a t ed r i v e b a s e do nt h i s ， t h i st h e s i su s e sp o i n t e ro fc u r r e n ta d d r e s s ，v a l i d a t i o nb i t m a pa n dr e v e r s em a p p i n gt a b l e t e c h n o l o g i c a lt oi m p r o v et h ea l g o r i t h m , a n dc r e a t i v e l ym o v e st h ew o r s tp e r f o r m a n c e o p e r a t i o n ，s c a nt h es p a r er e g i o n ，t os t o r a g ec o n t r o l l e r sr a mt oi m p r o v e dr e a da n d w r i t ep e r f o r m a n c ea n do p t i m i z i n gt h eg a r b a g ec o l l e c t i o nm e c h a n i s m 第i i 贞 冈防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 f i n a l l y ，t h i st h e s i su s e st h es o l i d s t a t ed r i v e ss i m u l a t o rt oe v a l u a t et h ei m p r o v e d a l g o r i t h m sp e r f o r m a n c e ，a n dv a l i d a t ei m p r o v e dp e r f o r m a n c e c a u s e db yt h ea l g o r i t h m t h i ss t u d ya n dt h er e s u l t so b t a i n e dc a nb ef u r t h e rs o l i d - s t a t ef l a s hm e m o r yd r i v e ， t r a n s f e rs t o r ys t r u c t u r ea n dr e s e a r c ht op r o v i d eh e l pa n dl e a r nf r o m k e yw o r d s ：n a n df l a s h 。s o l i d s t a t e d r i v e ，f l a s ht r a n s l a t i o nl a y e r ， s i m u l a t o r ，n f t la l g o r i t h m 第i i i 页 罔防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 表 目录 表1 1n a n df l a s h 市场增长趋势4 表3 1i ot r a c e 文件的常见格式2 0 表3 2f l a s h 状态位功能2 4 表3 3f l a s h 各部件的状态2 4 表3 4 全局参数示例3 0 表5 1t r a c e 文件特性4 6 表5 2 不同负载下改进前后算法工作情况对比4 6 表5 3 重载情况下利用改进后算法分别测试启用及未启用合并机制性能对比4 8 第1 v 贞 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图目录 n a n df l a s h 的基本结构3 固态驱动器基本结构4 固态驱动器和硬盘驱动器功耗对比5 固态驱动器和硬盘读性能对比6 闪存转换层实现更新重定位1 0 闪存转换层基本地址映射机制1 l 复合式映射示例1 1 基本垃圾回收机制示例1 3 闪存转换层的结构1 4 标准存储层次结构模型l8 对存储结构模型的细化设计1 9 模拟器总体结构2 2 利用闪存转换层的一次寻址过程2 3 控制器执行操作合并示例2 6 闪存转换层框架的实现2 7 时钟推进的工作流程图2 9 配置文件片断3 0 数据收集探针实现31 模拟器配置界面3 4 n f t l 算法的地址映射机制3 7 n f t l 算法的更新机制3 7 n f t l 的垃圾回收机制3 8 寻址需要对保留区进行扫描和比较4 2 性能对比图4 7 一定时间内性能变化对比4 7 性能对比图4 8 一定时间内性能变化对比4 8 启用与彳 启用缓存对系统性能影响对比4 9 第v 贞 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特另0 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：! 望叁塾丝墨丝丝丛垦坚亟坠丝丝鍪至蛩塾： 学位论文作者签名：煎塑! 1日期：沙7 年，z 月毁日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：里查堑勤翟鲍墨丛鱼堕盘垦丝丝幽垒 学位论文作者签名：垫筮2 了 作者指导教师签名：茎垒f 鱼 日期：跏7 年，工月z 妇 日期：瓦，叩年f 月。明 阳防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 信息化社会的逐渐到来使得数据在人类生活中的地位越来越重要，在当代的 社会中，数据长期以来一直以一个极高的速率增长，据统计，在2 0 0 6 年，全球产 生的数据共消耗了大约1 6 1 e x a b y t e 左右的存储设备，而按照当前数据的增长趋势， 到2 0 1 0 年，这个值将会达到9 8 8 e x a b y t e ，也就是2 0 0 6 年的六倍以上【l j 。传统意义 上，数据都是存放在硬盘( h h d ，h a r dd i s kd r i v e ) 和磁带( m a g n e t i ct a p e ) 等外围存储 设备中。用户对以磁盘为主的外围存储设备长久以来的要求是强调容量多于强调 性能，而中央处理器( c p u ) 和内存储器( m m ) 贝j j 更加注重性能的提升，在计算机发 展的硬盘等设备的性能还能与早期中央处理器和内存的性能相匹配，但是随着技 术发展和进步，外围存储设备的性能已完全不能适应中央处理器和主存的需求， 这就导致了硬盘越来越成为计算机系统的性能瓶颈。 基于f l a s h 技术的固态驱动器( s s d ，s o l i ds t a t ed r i v e ) 的出现为传统的硬盘提供 了一个合适的替代。2 0 世纪8 0 年代f l a s h ：苍片出现后，固态驱动器技术也就随之 应运而生。从其诞生开始，固态驱动器性能上的巨大优势和对恶劣条件的出色适 应性，已经使它在商业和军事领域的关键部门发挥了重要的作用。但是由于其高 昂的制造成本，很多年以来，固态驱动器在消费市场中没有能够得到广泛的应用。 近年，随着半导体制造工艺和技术的发展与进步，f l a s h 存储j 占片和固态驱动器的 制造成本一直保持着稳步下降的趋势，而其存储密度和容量也在不断提高，这使 得固态驱动器逐渐进入商业数据服务器甚至个人电脑市场。 在数据服务器中利用固态驱动器和磁盘构成混合存储系统是固态驱动器的主 要使用模式。混合存储系统以固态驱动器作为磁盘和主存间的非易失性高速缓存， 弥补主存到硬盘间的性能鸿沟，缩短系统引导时间和对热点数据的访问延迟，同 时降低系统功耗并提高系统的寿命和可靠性。而在个人电脑中的使用则更倾向于 使用固态驱动器直接取代硬盘作为系统中唯一的本地外围存储设备，从而提高系 统的稳定性并降低功耗，尤其是对移动性和续航能力有极高要求的上刚本( n e t b o o k ) 和移动互联网设备( m i d ，m o b i l ei n t e m e td e v i c e ) 等系统中，固态驱动器得到了广泛 的应用。 1 2 名词和术语解释 由于在f l a s h 存储领域，很多术语和名词4 、= 统一，本节主要根据开放n a n d 第1 页 闻防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 f l a s h 接口( o n f i ) 规# 9 1 3 j 对本文中使用的名测作出规定，同时给出所用名训的其他 表达方式，以期起到消歧的作用。 f l a s h 设备，指封装好的f l a s h 存储：卷片，也被称为( p a c k a g e ) 。 f l a s h 目标，指f l a s h 设备中共享数据总线的多个具有独立数据寄存器的f l a s h 存储体，也被称为p l a i n 或b a n k ，是f l a s h 设备中各种功能执行的最小单元，对f l a s h 的读写、擦除等操作均通过总线将命令及地址发送到f l a s h 目标完成。 擦除单元，擦除操作可寻址的最小单位，在一些文献中也被称为块( b l o c k ) 。 读写单元，读操作和写操作可寻址的最小单位，在一些文献中也被称作页 ( p a g e ) 。 保留区，指每个读写单元后附加的用于存放元数据和校验信息的数据区，在 本质上和读写单元具有相同性质，但是其各个字节的功能一般已由制造商指定， 也被称为额外区域( s p a r er e g i o n ) 或带宽外区域( o o b o u t o f - b a n d w i d t ha r e a ) 。 闪存转换层，工作于f l a s h 和文件系统间，用于隐藏闪存工作细节的软件系统。 逻辑存储单元，文件系统可见的存储空间，是一个线性的连续空间。 逻辑地址，闪存转换层对文件系统提供的线性的逻辑存储空间中的地址。 物理存储空间，物理上实际存在的存储空间，可有多种编址形式。 物理地址，f l a s h 中存储单元的实际编址，包括设备号、目标号、擦除单元地 址和读写单元地址，也被成为行地址( r o wa d d r e s s ) 。 偏移量，指明读写单元中一个字节或者一个字的地址。 段( s e c t o r ) ，指传统块设备，如磁盘等，的最小读写单元，一般为5 1 2 字节， 也称为扇区。 1 3n a n df l a s h 技术和固态驱动器 1 3 1 n a n df l a s h 技术概述 f l a s h 存储器是一种电可擦除只读存储器( e e p r o m ) ，最早的f l a s h 存储器是由 东芝( t o s h i b a ) 公司于1 9 8 4 年发明的n a n df l a s h ，1 9 8 8 年，i n t e l 公刊发明了第一 块n o rf l a s hj 卷片【2 】，在随后的二十余年的时间里，f l a s h 技术得到了全面的发展， 成为了半导体存储器件的主流。而n a n d 型和n o r 型依然是f l a s h ：出片的主要类 型。 n o rf l a s h 的特点是：醛片内执行( x i p ，e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直 接在f l a s h 闪存内运行，不必再把代码读到系统内存中。n o rf l a s h 的读取速度很高， 在小容量时具有很高的效益，但是其较低的写入和擦除速度大大影响了它的性能， 其寿命也明显短于n a n df l a s h 。 第2 页 国防科学技术大学研究q 院硕士学位论文 n a n df l a s h 的特点在于其极高的存储密度发较高的写入和擦除速度，当前 n a n df l a s h 的容量多在单片l g 以上，其读写单元大小一般为5 1 2 b 或2 0 4 8 b ，擦 除速度较之n o r f l a s h 具有近1 0 0 0 倍的优势。 n a n df l a s h 的发明就是为了取代硬盘作为系统的二级存储设各因此其数据 访问单元正好与磁盘的一个扇区相同，同时n a n df l a s h 对外提供标准的i o 接口， 现在的n a n df l a s h 主要用于大容量存储设备生产，该型存储芯片也是固态驱动器 实现的基础。 根据开放o n f i 规范2 i 版本吐以小读写单元型n a n df l a s h 为例，其基本 结构如图1 1 所示。 二；耱：；繇+ + 1 i 蒜： 1 6 k + 5 1 2 t ， w h 一 5 1 2 宇8 j t * e 1 嚣 ：* f * r $ i 圈iln a n d f l a s h 的基本结构 f l a s h 设备的一个读写单元大小为5 1 2 字节，并带有一个1 6 字节的用于存放校 验信息和元数据的保留区，每个f l a s h 设各由若干个擦除单元组成，每个擦除单元 由3 2 个读写单元构成，一组擦除单元以线性阵列的形式堆叠在一起构成非易失性 的数据存储体，一个设备带有一个5 1 2 + 1 6 字节大小的寄存器，寄存器通过一个8 位总线和外部控制器及数据通道连接。对f l a s h 的一次写操作和读操作均要读取 5 1 2 b 的数据，对f l a s h 擦除操作则必须至少作用于一个擦除单元。n a n df l a s h 的 一个重要特点就是对数据从l 到0 的写可咀原位( i n - p l a c e ) 进行，即如需要将 1 1 1 0 0 0 0 0 更新到1 0 1 0 0 0 0 ，可以不经擦除直接进行，但是将0 改写到1 必须通过 擦除操作叩如需将1 1 1 0 0 0 0 0 更新为1 1 1 0 1 0 0 0 ，电必须将该数据所在的擦除单元 擦除为全1 后才可以重新改写。 13 2n a n df l a s h 的应用现状 n a n df l a s h 自发明至今已在数据存储领域发挥了巨大的作用，从早期在嵌 入式领域作为数据存储设备，如u 盘和多种存储卡：到近几年在海量数据存储中 第3 贞 mh m 呻 斗 围防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 的应用，如固态驱动器。n a n df l a s h 已经在半导体市场和存储 j 场中占据j ，极大 的份额。2 0 0 7 年的一次统计表明了n a n df l a s h 应用的上升趋势，表1 1 展示了 2 0 0 1 年到2 0 0 6 年，以及1 9 9 0 年n a n df l a s h 的市场变化情况【4 】o 表1 1n a n df l a s h 市场增长趋势 市场规模( 百万 市场年增长率 在半导体器件市场中的 在存储设备市场中的份 美了e )( )份额( )额( 呦 1 9 9 03 5o 10 3 2 0 0 17 5 9 55 53 0 5 2 0 0 2 7 7 6 725 5 2 8 7 2 0 0 31 1 7 3 95 l7 13 6 1 2 0 0 41 5 6 1 13 37 33 3 1 2 0 0 51 8 5 6 91 98 23 8 3 2 0 0 62 0 2 7 598 13 4 4 从表中可见，n a n df l a s h 从其被发明以来的二十余年间在市场占有率方面经 历了爆炸式的增长，2 0 0 6 年的市场规模和份额都是1 9 9 0 年的1 0 0 倍以上。 正是由于n a n df l a s h 的应用越来越普及，特别是近几年，其应用范围进一步 扩大，从嵌入式领域和金融军事的关键领域扩张到消费电子及数据中心服务器领 域，尤其是随着固态驱动器为代表的新一代大容量存储设备的推广，对f l a s h 应用 的研究越来越成为存储领域关注的焦点之一。 1 3 3 固态驱动器 固态驱动器，也被称作电子硬盘或者固态硬盘，是由控制器和固态存储单元 组成的二级存储设备，固态驱动器的典型结构如图1 2 所示。固态驱动器的接口规 范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的相同，在产品外形和尺寸上也与普通 硬盘一致。但是由于固态驱动器没有普通硬盘的旋转介质，因而抗震性极佳，同 时其芯片的工作温度范围很宽，使固态驱动器具有较高的可靠性和适应性。 图1 2 固态驱动器基本结构 按照固态驱动器存储单元所采用的介质不同，一种是采用f l a s hj 卷片作为存储 第4 页 刚防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 介质，另外一种是采用d r a m 作为存储介质。 基于f l a s h 的固态驱动器采用f l a s h ：卷片作为存储介质，通常所说的固态驱动 器也是指基于f l a s h 的固态驱动器。这种固态驱动器最大的优点是使用非易失介质 保存数据，能适应各种环境，但是由于f l a s h 存储介质的磨损问题导致使用寿命有 限。在基于f l a s h 的固态硬盘中，f l a s h 存储单元又分为两类：s l c ( s i n g l e l e v e lc e l l ， 单层单元) 和m l c ( m u l t i l e v e lc e l l ，多层单元) 。s l c 的特点是成本高、容量 小、速度快，而m l c 则具有容量大成本低的优点，但是速度相对较慢。m l c 的 每个单元是2 b i t 的，相对s l c 来说整整多了一倍。不过，由于每个m l c 存储单 元中存放的资料较多，结构也相对复杂，出错的几率会增加，必须进行错误修正， 导致其性能大幅落后于结构简单的s l cf l a s h 。此外，s l cf l a s h 的最大的优点是 擦写次数高达1 0 0 0 0 0 次，比m l c 高l o 倍以上p 】。此外，为了保证固态驱动器的 寿命，控制j 芯片都采用了一定的校验和智能磨损均衡算法，使得每个存储单元的 写入次数可以平均分摊，达到1 0 0 万小时故障间隔时间( m t b f ) 。 基于d r a m 的固态驱动器则采用d r a m 作为存储介质，目前应用范围较窄。 是种高性能的存储器，而i + i 使用寿命很长，美中不足的是需要独立电源来保护 数据安全。本文中所说的固态驱动器专指基于f l a s h 的固态驱动器。 无论是哪一种固态驱动器，其相对于硬盘的最大优点在于可靠性、访问速度 和功耗，可靠性主要源于固态驱动器无机械部件，对震动的适应能力较强，且半 导体器件抗恶劣天气的能力更为出色。 固态驱动器没有机械部件，且随着半导体工艺技术发展，f l a s h 芯片的驱动电 压不断下降，直接导致了固态驱动器较低的功耗。如图1 3 所示的是日立公司2 0 0 7 年在其通用存储平台上对几款硬盘和固态驱动器进行功耗测试得到的结果，该测 试是在每秒十万次i o 的情况下对存储设备功耗进行对比，可以明显看出固态驱动 器在功耗上的巨大优势。在全球经济危机的大环境下，固态驱动器在企业数据中 心的使用势必会降低企业运营成本，这也是当前固态驱动器得到大范围运用的原 因。 1 h d i 3 0 0 6 3 1 0 k n p a ) 鞠瞄疆翻豳翻避潮麓1 9 3 b u 8 h h d i t 6 6 15 k n p m 囊曩_ 曩圈_ l 自翻l1 i 鼻 h | d 7 3 g b j l 5 - 【p f 一：麴曩_ _ 圉圉i i i 8 曩i ：善| 三3 嫩l 怖c 溺陋划l 一 0王0 0 0 0 c2 0 0 3 0 03 0 3 0 0 04 0 0 0 0 0 - 1o s k l o p 5 每件下山吨 il - , = 。1 也k v 矿卜y 一矗r ， 图1 3 固态驱动器和硬盘驱动器功耗对比 磁盘的访问时间受限于多个因素，如旋转时间、寻道时间等，这些因素导致 第5 贞 陶防科学技术大学研究生院硕士学位论文 磁盘访问时间并不是一个固定的常数，一般要用平均访问时间来衡量，且其旋转 速度受限于磁头悬浮高度等因素，因此限制了磁盘访问速度的进一步提升。固态 驱动器使用半导体器件作为其存储模块，对数据的访问通过选择字位线方式实现， 访问时间是一个常数，半导体器件更短的访问时间使固态驱动器读访问性能上相 对硬盘有着明显的优势。但是n a n df l a s h 是一种电可擦除只读存储器，其本身的 性质决定了其读写性能的不对称，在读数据方面，n a n df l a s h 只需要通过字位选 中读出高低电平就可以，但是写入过程则需要通常利用热电子注入r h e i h o t - e l e c t r o ni n j e c t i o n ) 或者f o w l e r - n o r d h e i m ( f n ) 隧道教应将电子传输到浮栅( f g ， f l o a t - g a t e ) 实现对存储位元的编程，无论是哪种方法都需要花费较长的时间，而且 固态驱动器的写操作往往伴随者开销更大的块擦除操作，导致固态驱动器的写性 能并没有明显的优势，有时甚至低于硬盘的性能，如图l4 所示，在实际测试中， 固态驱动器在读访问性能远远高于硬盘的性能，尤其在无缓冲的读性能方面无 论是随机访问还是线性连续访问数据的速率，固态驱动器有3 “倍的优势。但另 一方面，固态驱动器的写性能和读性能存在巨大的差距，一般这个差距在如1 0 倍 之间。本文所述的研究工作的一个重要组成部分就是分析读写性能差距的来源， 并对该问题做出改进。 干圬。目 膏m 1 n 薯 “一嘻i m 哗1 ) _ _ _ _ _ _ 1 _ 3 - _ 9 一，l j j = 敏w d 3 峭：，幸 ，”“) ii i l i _ _ _ _ _ _ 2 社二 h i t ；m p 盎x 幡 睹二捕i w 日l _ 二0 _ _ iz 强j 01 0 01 5 02 c o2 5 03 0 0 图i4 固态驱动器和硬盘读性能对比 13 4 闪存转换层 闪存转换层( f r l ，f l a s ht r a n s l a t i o nl a y e r ) 是工作于现有操作系统和f l a s h 存储 介质之间的连接部分，在一些嵌入式应用系统中，闪存转换层也会直接作为操作 系统中文件系统的组成部分。闪存转换层的主要作用是使非线性的f l a s h 存储空间 表现出与普通的磁盘相同的行为，它主要完成三个基本的功能：第一维护个 虚拟的地址空问，对操作系统隐藏擦除单元：第二，管理虚拟地址到物理地址的 映射，使对f l a s h 存储设备的数据更新表现为原位更新( i n - p l a c eu 硼a t e ) ，对操作系 统隐藏擦除操作：第三，回收无效数据占用的数据存储空间，保证可用于存储数 第6 页 h 防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 据的数据空间的数量【6 | 。 通过闪存转换层，可以使现有操作系统小加修改地有效地利用f l a s h 技术带来 的优势。而闪存转换层也是实现损耗均衡的重要途径，利用闪存转换层，可以有 效地了解f l a s h 中擦除单元的磨损情况，进而避免反复擦写导致f l a s h 中某些擦除 单元被磨穿( w e a r o u t ) 影响f l a s h 设备的使用寿命。 闪存转换层是固态驱动器实现的重要组成部分，其中的地址映射算法和垃圾 回收机制是固态驱动器安全高效可靠运行的重要保证，可以说，闪存转换层在固 态驱动器中起着举足轻重的作用，是固态驱动器实现的关键技术。本文将会在后 续章节对闪存转换层进行详细的分析和介绍。 1 4 本文的工作及论文的结构 1 4 1 本文的工作 本文对固态驱动器实现中的关键技术进行了研究，重点实现了固态驱动器模 拟器，并对n f t l 算法进行了研究和改进。主要工作包括以下几点： 1 ) 系统分析了固态驱动器及闪存转换层的基本概念、主要优缺点，以及该领 域最近的研究进展； 2 ) 分析研究了现有闪存转换层技术以及常用的存储设备的结构模型； 3 ) 设计并实现了固态驱动器模拟器： 4 ) 针对常用的n f t l 闪存转换层算法的缺点提出了改进方案； 5 ) 利用固态驱动器的模拟器对改进方案的效果进行模拟和验证； 6 ) 总结并展望固态驱动器的发展应用的前景和进一步研究的侧重点和方向。 1 4 2 论文的结构 本文共分六章，第一章为绪论部分，主要介绍了n a n df l a s h 和固态驱动器的 基本概念、发展过程、关键技术以及本课题研究的重要意义。 第二章详细分析了固态驱动器的核心技术闪存转换层技术，分析研究了 用于存储设备的结构模型。 第三章详细介绍了固态驱动器模拟器设计和实现的基本方法及过程。 第四章详细介绍对n f t l 算法优缺点的分析，提出了改进方法。 第五章利用固态驱动器模拟器对改进后的算法性能进行测试并形成结论，验 证了改进效果。 第六章总结和展望，总结本文主要工作并展望下一步工作的方向。 第7 贞 n 防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 第二章闪存转换层及存储模型 2 1 引言 固态驱动器等f l a s h 存储设备的使用范围越来越广，对f l a s h 和固态驱动器实 现技术的研究工作越来越成为存储领域的热点。 虽然对f l a s h 存储器的设计实现仍然没有一个统一的标准，但是f l a s h 的微体 系结构级的实现以及其控制指令的类型已经基本上遵循一个事实的工业标准，即 由i n t e l 等公司倡导的o n f i 规范 3 】，o n f i 规范对f l a s h 的结构及基本控制指令提 供了最小实现，对指令时序等做出了约束。各个制造商可以根据自身需求在遵循 基本规范的情况下向各自的f l a s h 实现添加控制指令等。 由于o n f i 规范的存在，现在对于f l a s h 存储设备的研究主要倾向于应用方面， 比如如何使用f l a s h 实现廉价冗余磁盘阵列( r a i d ) ，如何利用f l a s h 存储设备优化 数据库应用性能，如何利用f l a s h 存储设备提升事务处理系统的性能等等方面。 无论是哪种应用，f l a s h 都需要向上层操作系统及应用程序提供隐藏本身的特 点，如写前擦除等。这就需要通过闪存转换层提供一系列的功能来使f l a s h 对外表 现出传统块设备的行为特点。因此，闪存转换层的研究成为了f l a s h 系统研究的核 心。尤其随着固态驱动器这一类准备用于取代硬盘的设备的出现及广泛应用于数 据服务器系统中，这就需要固态驱动器的使用彳i 能影响现有系统的运行，更不能 修改已经稳定运行的操作系统，利用闪存转换层可以在不修改现有操作系统及文 件系统的情况下，无缝地将操作系统和固态驱动器等f l a s h 存储设备接合起来，所 以闪存转换层的地位被进一步提高。 但是现在的闪存转换层主要由设备制造商或其支持的科研机构进行研究，固 态驱动器等设备的闪存转换层都已经固化在其存储控制器中。因此，为了对闪存 转换层进行一个全面的研究，将设计一个固态驱动器的模拟器，对固态驱动器的 行为进行模拟，利用该模拟器对闪存转换层进行研究及优化。 本节内容将对闪存转换层的基本概念、结构及功能等进行介绍，并对模拟器 实现要用到的存储系统模型进行简要介绍。 2 2 1闪存转换层概述 2 2 闪存转换层 由于f l a s h 具有低功耗、高抗震、重量轻、体积小且没有机械部件等特性，已 被广泛应用于移动及嵌入式设备，而n a n df l a s h 吏是已经开始进入桌面及服务器 筇8 贞 罔防科学技术大学研究牛院硕七学位论文 应用领域，向随省技术的发展和应j j 需求的扩展，人们对使j jn a n df l a s h 来替代 硬盘的需求越来越巨大。近年来大量出现的使用硬盘物理接口固态驱动器就是很 好的说明。 但是，由于n a n df l a s h 本身的特性限制，并不能使用n a n df l a s h 直接取代 硬盘。尤其是n a n df l a s h 不能支持原位更新( i n p l a c eu p d a t e ) ，也就是说，除非该 特定读写单元所在的擦除单元( 通常大于读写单元) 被事先擦除，否则更新该读写单 元内的数据不能像硬盘一样通过将新数