本文關鍵詞：面向嵌入式應用的閃存存儲管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)技術研究

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【摘要】：隨著嵌入式設備的快速發(fā)展和普及,大量的嵌入式應用被設計和開發(fā),而NAND閃存憑借非易失性、低功耗、高性能、抗震動等特點,成為當前各類嵌入式系統(tǒng)的重要存儲設備。由于“異地更新”和“有限擦除次數(shù)”的限制,閃存中設計有專門的存儲管理系統(tǒng)一閃存轉換層(Flash Translation Layer)來管理各項存儲活動。目前,閃存存儲管理系統(tǒng)的研究工作主要針對閃存的性能和使用壽命設計優(yōu)化,并沒有兼顧考慮嵌入式應用的需求和特點而做出整體設計。嵌入式應用系統(tǒng)中往往具有時間約束、資源受限和持久運行的需求,因此如何設計閃存存儲管理系統(tǒng)以滿足嵌入式應用的需求成為一個重要的問題。本文針對嵌入式應用的時間約束、資源受限、持久運行等需求,從地址映射、垃圾回收、均勻磨損等三個方面展開閃存存儲管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)技術研究,主要工作包括以下幾個方面：1.針對嵌入式應用的時間約束需求,分析目前閃存存儲系統(tǒng)無法滿足給定時間約束的原因,借助空間分配和分步垃圾回收技術,在保持平均性能的基礎上,設計滿足最差時間約束的垃圾回收機制。在此基礎上,在基于需求的頁級地址映射技術中引入面向時間約束的垃圾回收技術,設計了一種數(shù)據塊和地址轉換塊協(xié)同垃圾回收機制,提升了整個閃存存儲管理系統(tǒng)滿足時間約束的能力。2.閃存存儲管理系統(tǒng)往往采用基于需求的頁級地址映射來降低內存開銷并保持高性能,然而這種地址映射可能存在大量額外開銷。針對嵌入式應用的資源受限需求,通過分析由地址映射產生的額外開銷對性能的影響,設計了面向地址轉換頁的數(shù)據聚集技術。通過維護地址轉換頁對應的寫指針,優(yōu)化閃存地址訪問,降低了地址緩存和地址轉換的開銷,提高了資源受限下閃存存儲系統(tǒng)的平均性能。3.針對嵌入式應用的持久運行需求,設計對應的均勻磨損和斷電恢復策略,包括新數(shù)據塊分配、熱／冷數(shù)據交換和垃圾回收數(shù)據塊選擇策略,通過平衡熱／冷數(shù)據和數(shù)據塊各自的擦除次數(shù),提升閃存存儲系統(tǒng)的使用壽命。通過存儲元數(shù)據和利用反向頁級映射表存儲技術,確保在閃存斷電后可以恢復地址映射數(shù)據。4.基于上述工作,在基于Disksim的通用閃存存儲系統(tǒng)仿真平臺FlashSim上實現(xiàn)了閃存存儲管理系統(tǒng),并使用了一系列訪問數(shù)據集進行評估。在此基礎上,在Tiny6410嵌入式開發(fā)板上進行了實現(xiàn),運行多個Benchmark進行實驗評估。實驗結果表明,我們的系統(tǒng)在滿足時間、資源、持久性運行需求方面具有優(yōu)勢。相比現(xiàn)有技術,保持了較高的平均性能,降低了空間開銷并能提高閃存系統(tǒng)的使用壽命。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP333

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本文編號：1271063