基于逻辑页冷热分离的NAND闪存磨损均衡算法

针对现有的NAND闪存垃圾回收算法对磨损均衡考虑不足的问题,提出了一种基于逻辑页冷热分离的NAND闪存磨损均衡算法。算法同时考虑了无效页的年龄、物理块的擦除次数以及物理块更新的频率,采用混合模式选择回收符合条件的物理块。同时,推导了一种新的逻辑页热度计算方法,并将回收块上有效页数据按照逻辑页的热度进行了冷热分离。实验结果表明,与GR算法、CB算法、CAT算法以及FaGC算法相比,该算法不仅在磨损均衡上取得了很好的效果,而且总的擦除次数与拷贝次数也有了明显减少。     

一种基于逻辑页平均更新频率的NAND闪存垃圾回收算法

针对NAND闪存的特点,提出一种基于逻辑页平均更新频率的NAND闪存垃圾回收算法。该算法采用无效页年龄和作为回收块选择策略。同时,在FaGC和GCbAH算法基础之上,重新定义数据热度计算公式,采用逻辑页平均更新频率取代固定阈值作为冷热数据的判定依据,实现了更准确的冷热数据判定和分离。实验结果表明,相较于GR、CB、CAT、FaGC和GCbAH算法,该算法在垃圾回收代价和磨损均衡方面均取得了更好的效果。     

基于权重堆排序的NAND Flash静态磨损均衡机制

磨损均衡机制作为闪存转换层的基础机制之一,其主要功能是延长闪存块使用寿命和提高存储数据的可靠性。现有的磨损均衡机制着重于减少闪存块的擦除次数,忽略了在磨损均衡操作过程中选择擦除脏块的不合理所带来的不必要数据迁移开销,从而影响了固态硬盘的整体读写性能。针对该问题,提出了一种基于权重堆排序的 NAND Flash静态磨损均衡机制WHWL。首先,提出一种基于页数据访问频率和块擦除次数的权重的热度计算方法,有效地提高擦除次数少（冷块）且数据访问频率低（冷数据）的目标块命中率,避免了多余的数据迁移操作;其次,提出了一种基于权重的堆排序目标块选择算法,以加快目标块的筛选。实验结果表明,与现有的PWL和BET算法相比,在使用相同映射机制的条件下,WHWL能够分别提升固态硬盘寿命1.28、5.83倍,数据迁移次数也有明显的降低。     

Android存储系统中NAND闪存性能的改进

针对Android存储系统在闪存管理上存在较差的磨损均衡效果和较高的垃圾回收额外开销的缺陷,引入冷热数据分离策略,将文件按照不同热度写入对应热度的物理存储单元,同时改进垃圾回收策略,以达到良好的磨损均衡效果并减少垃圾回收额外开销。基于Android平台的实验结果表明,改进后的策略在有效减少NAND闪存垃圾回收额外开销的同时,还能有效改善其磨损均衡效果。     

基于随机游走的大容量固态硬盘磨损均衡算法

基于闪存的大容量固态硬盘(SSD)能够在未来取代磁盘.它有很多优点,包括非易失性、低能耗、抗震性强等.然而,基于NAND闪存的存储块自身存在有限的擦除重写次数的问题一直影响着它的广泛应用.当闪存芯片达到擦除重写的限制次数后,存储块上的数据就会变得不可靠.目前研究者们已经提出了一些磨损均衡算法来解决这个问题.但当固态硬盘的存储容量不断增大后,这些算法需要越来越多的内存容量来保证运行.文中提出一种基于随机游走的磨损均衡算法来应用在大容量的固态硬盘上,该算法能够很大程度地减少内存消耗.实验表明所需内存容量仅为BET算法的15.6%,与此同时磨损均衡的性能并没有降低.     

Yaffs2文件系统中对NAND Flash磨损均衡的改进

针对以NAND Flash为存储介质时Yaffs2文件系统存在磨损均衡的缺陷,通过改进回收块选择机制,并在数据更新中引入冷热数据分离策略,从而改善NAND Flash的磨损均衡性能.实验借助Qemu软件建立Linux嵌入式仿真平台,从总擦除次数、最大最小擦除次数差值和块擦除次数标准差等方面进行对比.实验结果表明,在改进后的Yaffs2文件系统下NAND Flash的磨损均衡效果有明显提升,这有益于延长NAND Flash的使用寿命.     

全程优化的固态硬盘垃圾回收方法

由于NAND闪存的固有限制,写前擦除和擦除粒度较大,基于NAND Flash的固态硬盘（SSD）需要执行垃圾回收以重用失效页。然而垃圾回收带来的高开销会显著降低SSD的性能,也会直接影响SSD的寿命。特别是对于频繁使用的有数据碎片的SSD,垃圾回收带来的性能下降问题将更为严重,现有的垃圾回收（GC）算法各自侧重垃圾回收操作的某个步骤,并没有给出全面考虑各步骤对整体影响的综合方案。针对该问题,在详细剖析垃圾回收过程的基础上,提出了一种全程优化的垃圾回收方法WPO-GC,在数据初始放置、垃圾回收目标块的选择、有效数据的迁移、触发回收的时间点以及中断处理方式上,尽可能全面地考虑各步骤对SSD正常读写请求和寿命的影响。通过开源模拟器SSDsim上的WPO-GC的有效性验证表明,同典型GC算法相比,WPO-GC可以减少SSD读请求延迟20%~40%和写请求延迟17%~40%,均衡磨损近30%。     

一种基于热数据识别技术的UBIFS优化方案

NAND Flash介质具有特殊的物理性质,传统文件系统不能直接对NAND Flash进行管理,容易造成NAND Flash设备性能下降、磨损不均衡等负面影响。闪存文件系统将FTL与文件系统功能有机地结合起来,可更好地发挥NAND Flash的高性能。无序区块镜像文件系统(Unsorted Block Image File System,UBIFS)是一种被广泛使用的闪存文件系统,但其存在着写放大和垃圾回收操作频繁触发等问题。针对UBIFS中存在的问题,提出利用多哈希函数的哈希表对热数据进行识别,以降低热数据识别开销,提高热数据识别的准确率;采用多日志技术,将不同热度的日志、数据分开存放,以减少垃圾回收触发频率;采用热数据日志延迟提交技术来减少UBIFS中日志提交带来的元数据修改,进而减少了写放大产生的次数。测试与分析表明, 与原UBIFS相比,优化后的UBIFS的系统内部写物理块的次数减少5%~10%,垃圾回收操作触发的次数减少了7%~13%,同时系统的IOPS提高了5%~18%,系统性能下降现象得到了有效缓解。     

基于数据更新间隔的NAND闪存垃圾回收算法

闪存因具有速度快、体积小等优点而广泛应用于数据存储领域,为提高NAND闪存的垃圾回收效率、延长闪存使用寿命,提出一种基于数据更新间隔的垃圾回收算法UIGC。计算闪存中空闲页的分散度,将其作为垃圾回收触发条件。从垃圾回收效率和磨损均衡效果2个方面出发,综合考虑块中无效页年龄累计和以及块中有效页比例,使用动态回收块选择和静态回收块选择相结合的策略来选择目标回收块,根据回收块中有效页数据更新间隔判断有效页热度,同时提出数据更新稳定性的概念来划分有效页的数据更新状态,将具有不同热度和更新状态的有效页数据分别存储在不同的空闲块中,从而提高块中数据的同步更新概率。实验结果表明,UIGC算法相较于CAT、FaGC等现有垃圾回收算法具有更优的垃圾回收效率和磨损均衡效果,并能有效延长闪存使用寿命。     

一种改进的双粒度地址映射算法

为设计高闪存空间利用率、低闪存擦除次数、低内存占用率的Flash管理算法,针对NAND闪存的擦写特性,提出一种改进的双粒度地址映射算法FAST算法,重新定义转换操作和合并操作,将顺序写日志块的合并操作变为转换操作。与传统FAST算法的比较结果表明,该算法可以减少一倍的擦除操作,提高空间利用率。     

FeGC: An efficient garbage collection scheme for flash memory based storage systems

NAND flash memory is a promising storage media that provides low-power consumption, high density, high performance, and shock resistance. Due to these versatile features, NAND flash memory is anticipated to be used as storage in enterprise-scale systems as well as small embedded devices. However, unlike traditional hard disks, flash memory should perform garbage collection that consists of a series of erase operations. The erase operation is time-consuming and it usually degrades the performance of storage systems seriously. Moreover, the number of erase operations allowed to each flash memory block is limited. This paper presents a new garbage collection scheme for flash memory based storage systems that focuses on reducing garbage collection overhead, and improving the endurance of flash memory. The scheme also reduces the energy consumption of storage systems significantly. Trace-driven simulations show that the proposed scheme performs better than various existing garbage collection schemes in terms of the garbage collection time, the number of erase operations, the energy consumption, and the endurance of flash memory.     

基于扇区映射的NOR flash磁盘模拟方法

针对异或门非易失性闪存(NOR flash)的特点,提出了一种扇区映射策略.通过在系统中建立一个转换层,将普通的NOR flash模拟成磁盘设备,从而可以在其上部署普通的磁盘文件系统.同时,描述了垃圾收集块选择算法,实现了对NORflash访问的损耗均衡.对该磁盘模拟方法的系统需求、性能和可靠性做了分析,提出了优化方法.     

磨损均衡算法在NAND Flash管理中的改进

由于Flash具有擦除次数有限、先擦后写的特点,会带来使用寿命有限的缺陷。为延长其预期使用寿命,普遍采用磨损均衡算法对各存储单元进行管理。该算法核心在每次写操作时将新数据写入到最少被使用的物理块中。本文对该算法在垃圾回收策略和对静态文件管理方式做出改进。垃圾回收时在遵照磨损均衡原则的前提下提高写入数据效率,同时增强该算法对不同类型的文件存储单元管理能力,从而达到更加有效的磨损均衡。     

Next high performance and low power flash memory package structure

In general, NAND flash memory has advantages in low power consumption, storage capacity, and fast erase/write performance in contrast to NOR flash. But, main drawback of the NAND flash memory is the slow access time for random read operations. Therefore, we proposed the new NAND flash memory package for overcoming this major drawback. We present a high performance and low power NAND flash memory system with a dual cache memory. The proposed NAND flash package consists of two parts, i.e., an NAND flash memory module, and a dual cache module. The new NAND flash memory system can achieve dramatically higher performance and lower power consumption compared with any conventionM NAND-type flash memory module. Our results show that the proposed system can reduce about 78% of write operations into the flash memory cell and about 70% of read operations from the flash memory cell by using only additional 3KB cache space. This value represents high potential to achieve low power consumption and high performance gain.     

Real-time emulation and analysis of multiple NAND flash channels in solid-state storage device

NAND Flash is the most prevalent memory technology used today in data storage systems covering a wide range of applications, from consumer devices to high-end enterprise systems. In this work, we present a modular and versatile FPGA-based platform that achieves accurate emulation of multiple NAND Flash channels. The NAND Flash emulator is based on an expandable and reconfigurable architecture that can be used for developing and testing new NAND Flash controllers and for analysing the behaviour of existing NAND Flash controllers and/or host device drivers. The presented NAND Flash emulator is based on PCIe-based FPGA boards attached to a high-end server, supports standard memory interfaces, responds to all memory commands in proper time and has the capability to emulate memory space in the range of a few TBs. The NAND Flash emulator has been prototyped and tested, and experimental results demonstrate that all timing requirements are satisfied under maximum read/write workloads. The NAND Flash emulator also includes a hardware tracer unit that records information of all commands exchanged at the NAND Flash interfaces along with high resolution timestamps. The recorded information can be used to analyse higher level functions, like wear leveling and garbage collection, and combined with other software tools for analysing cognitive functions. Experimental results demonstrate the advantage of using this emulator for analysing how host device drivers implement wear leveling and garbage collection functions.     

基于堆排序的片上Nor Flash损耗均衡硬件快速实现

传统的Flash损耗均衡的实现大部分都是针对Nand Flash,且基本都是通过文件系统进行的。针对Nor Flash损耗均衡的研究较少,而且对于无法植入操作系统或者植入代价过大的情况,文件系统的方法将不再适用。在硬件层面实现了Flash损耗均衡算法,以满足上述应用条件,同时大大减少了芯片软件层面的开销。通过Verilog语言实现了损耗均衡、地址映射、垃圾回收、Flash接口等四个模块,每次写操作到来时通过堆排序寻找擦写次数最小的块,将其物理地址与虚拟地址对应并更新到地址映射表,并在垃圾块达到一定数量时进行回收操作,从而实现Flash的损耗均衡。实验结果表明,硬件实现的损耗均衡算法在初始化、堆删除、读操作的时间消耗上分别比软件算法最多快了14、16.4、17.8倍,获得了较大的速度提升。