固态硬盘设计中的关键技术研究

【摘要】计算机系统经过几十年的发展，在各方面都取得了长足的进步。硬盘的容量虽然有很大的提升，但是其访问速度与计算机的其他部件（如内存、处理器）的速度相比，速度不匹配问题进一步加深，这使得存储子系统成为计算机系统的性能瓶颈。基于NAND闪存的固态硬盘的出现，使这个问题得到一定程度的缓解。然而由于闪存的固有缺陷，基于NAND闪存的固态硬盘也有诸多不尽人意之处，如读写速度差异大、不支持原地更新、擦除次数有限等，这严重影响了它的性能、寿命及可靠性等。本文以基于NAND闪存的固态硬盘设计为研究对象，在分析NAND闪存的基本特性及固态硬盘的构架的基础上，主要研究了固态硬盘设计中的闪存转换层（FTL）算法和缓冲区管理算法。在闪存转换层设计的研究中，通过分析DFTL算法的缺陷，本文提出了SDFTL（Sequential/SecondCacheDFTL）算法，增强了对连续请求的处理能力，减少了由于映射项频繁剔除引起的翻译页更新。该算法新设置连续缓存和二级缓存，连续缓存利用请求的空间局部性，对请求的映射信息进行预取，以提高缓存的命中率，减少对翻译页的读取次数；二级缓存对映射项的剔除策略进行改进，将从一级缓存剔除的、发生更新的映射项暂存在二级缓存中，延迟了映射项的更新时间，并采用批量更新策略回写到闪存，以减少翻译页的写回次数和擦除次数。通过以上两点改进，SDFTL算法能明显改善对连续请求的处理能力，减少系统的平均响应时间。仿真实验表明，SDFTL算法相比DFTL，映射表命中率平均提高41.57%，擦除次数平均减少23.08%，响应时间平均减少17.74%。在缓冲区管理算法设计的研究中，通过分析BPLRU算法的缺陷，本文提出了一种基于虚拟块的写缓冲区管理算法——VBLRU（VirtualBlock-basedLRU）算法，减少了缓存项剔除时的额外读写操作，提高了缓冲区的空间利用率。该算法使用虚拟块做为缓冲区管理的基本单元，增加了构成连续请求的可能性，减少了对闪存的额外读写操作；对大块的连续请求不加载到缓冲区中，直接交由FTL处理，提高了缓冲区的利用率。通过以上改进，VBLRU算法能明显减少对闪存的读取次数，有效提高缓冲区的利用率，提高系统的整体性能。仿真实验表明，当缓冲区容量为1MB时，VBLRU算法相比BPLRU，写缓冲区命中率平均提高7.25%，擦除次数平均减少31.64%，响应时间平均减少22.50%。
【作者】沈佐兵；
【导师】姚英彪；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电子与通信工程，2014，硕士
【关键词】固态硬盘；NAND闪存；闪存转换层；缓冲区管理；

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