NAND闪存的自适应闪存映射层设计

作者：时间：2010-06-02来源：网络收藏

顺序链表的项数设有上限值，该值为系统中分配的顺序日记块数目。当表项超过上限值时，将从顺序链表的最近最少访问端删除数据块，合并日记块和数据块中的有效数据。当顺序日记块完全更新时，即数据块内的数据完全无效，采用切换操作，用顺序日记块替换数据块，并将该块从顺序链表中删除。在本文中始终保留了一定数据的顺序日记块，以优化系统的顺序写。

位于随机链表中的数据组，当需要新的存储空间时，将为其分配新的随机日记块。随机链表的项数也设有上限值，当超过上限值时，将从最近最少访问端删除数据组，将随机日记块和数据块中的数据合并，生成新的数据块，同时重设数据块的状态位，当再一次进行数据更新时，将重新进行访问模式判断。采用该方法能够将冷数据及时从链表删除，回收日记块占用的存储空间和页映射表占用的内存空间。

1.3垃圾回收机制

由于采用日记结构进行存储管理，在长时间运行时需要进行垃圾回收。进行垃圾回收时需要考虑的问题是回收时机和回收对象选择，以及回收方法。垃圾回收机制是建立在地址映射方法基础上，主要由两部分构成：擦写进程和回收进程。擦写进程是专门负责擦写操作，它的优先级比较低。在系统空闲的时候，擦写进程才会轮到执行，每次该进程启动，只负责擦写一个块，以免影响到正常的I／O性能。回收进程是当系统中的日记块消耗完或闪存中的空闲块低于某阈值，将从日记块和数据块中选择回收对象，将有效数据复制到其他空闲区域中，将其交给擦写进程处理，回收存储空间。

本文回收进程主要包括两部分，对顺序日记块的回收和对随机日记块的回收。当系统中的顺序日记块消耗完全时，将从顺序链表的最近最少访问端选择日记块，利用数据块和顺序日记块内数据组织有序的特点，采用如图4所示的方法，将数据块中的有效数据复制到日记块中，用日记块来替换数据块，擦除数据块，回收数据块占用的空间。对于随机日记块，将从随机链表中选择具有最多无效数据的数据组，回收方法是从数据组中选择两个或多个具有较多无效数据的日记块，将日记块中的有效数据复制到数据组的其他随机日记块中，如图5所示，擦除选中日记块，回收日记块空间。

通过根据顺序日记块和随机日记块数据组织特点分别采用不同的回收方法，从而优化了垃圾回收的性能。对于顺序日记块，将数据块与日记块内有效数据合并，用日记块替换数据块，从而减少回收过程中的有效数据复制。而对于随机日记通过选择无效数据最多的块进行回收，同时利用本文的多日记块机制，将有效数据存储到其他日记块。从而不需要合并数据块和日记块的数据，减少了小数据更新情况下的有效数据的复制和块擦写次数，优化了垃圾回收的性能。

2 试验结果与分析

在Linux系统中实现了本文的存储管理方法，同时利用Linux自带的闪存模拟器，模拟闪存存储器的功能，在该模拟器上对本文的闪存映射方法展开研究，并与NFTL和混合映射方法进行比较，NFTL是Linux系统实现的块映射方法。在实验中采用额外写操作次数和擦除操作次数来衡量闪存系统性能的标准，其中额外写操作次数由实验中闪存的实际写次数减去用户请求的写次数来获取，主要是由垃圾回收时有效数据的复制产生的。额外擦写操作次数是指闪存系统的块擦写次数，是由于日记块的消耗引起的。采用这两个指标能够直接反应垃圾回收的性能。首先研究了在进行文件和图像等存取操作下系统的性能。由于仅进行图像存取操作时，系统的大部分操作是顺序写。图6所示是三种方法的额外写操作次数和擦写操作次数对比情况。从图6中可以看出本文方法与NFTL方法接近，需要较少的有效数据复制和块擦写，而混合映射方法表现较差，尤其是有效数据的复制次数，明显多于其他两种方法。主要是由于本文方法与NFTL能够利用块映射方法来处理顺序写模式，在进行垃圾回收时，能够通过将数据块的有效数据复制到日记块中，用日记块替换数据块，而不需要分配新的数据块，减少有效数据复制和块擦写。而混合映射方法在进行垃圾回收时，需要分配新的数据块来合并旧数据块和日记块中的数据，导致系统进行大量的复制操作和擦写操作，降低垃圾回收的性能。

图7的实验结果是在进行图像存取操作的同时加入对局部数据进行随机访问来获取的。从结果可以看出，NFTL方法与混合映射方法的性能接近，都需要较多的额外写次数和块擦写次数。本文的方法由于采用写模式判别机制，能够将随机写从顺序写中分离出来，对顺序写采用块映射方法，对随机写采用混合映射方法进行存储管理，从而垃圾回收次数较少，优化系统性能。