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。     

基于逻辑区间热度的NAND闪存垃圾回收算法

针对现有的NAND闪存垃圾回收算法中回收性能不高,磨损均衡效果差,并且算法内存开销大的问题,提出了一种基于逻辑区间热度的垃圾回收算法。该算法重新定义了热度计算公式,把连续逻辑地址的NAND内存定义为一个热度区间,以逻辑区间的热度来代替逻辑页的热度,并将不同热度的数据分开存储到不同擦除次数的闪存块上,有效地实现了数据冷热分离,并且节约了内存空间。同时,算法还构造了一种新的回收代价函数来选择回收块,在考虑回收效率的同时,还兼顾了磨损均衡的问题。实验结果表明,该算法与性能优异的FaGC算法相比,总的擦除次数减少了11%,总的拷贝次数减少了13%,擦次数最大差值减少了42%,内存消耗能减少了75%。因此,该算法有利于增加闪存可用空间,改善闪存系统的读写性能,延长闪存使用寿命。     

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。     

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。     

嵌入式设备NAND Flash存储系统的设计与实现

为了实现一种嵌入式设备存储系统的解决方案,对嵌入式设备广泛采用的大容量存储设备NAND Flash进行了深入的研究.设计了一种嵌入式设备中NAND Flash存储系统的解决方案,介绍了其功能用途和系统结构,分层介绍了系统的具体设计,重点介绍了比较独特的块设备驱动层和FTL层的设计方法以及对驱动初始化的优化.通过实际设计NAND Flash存储系统Linux驱动,说明了该系统设计实际应用时的出色效果.     

基于NAND Flash的CPU安全启动设计与实现

NAND Flash存储器以其容量大、成本低和速度快的优势,在嵌入式系统中得到广泛的应用。但是,由于NAND Flash固有的器件特性,必须要有驱动才能对其进行读写,存储于其上的代码不能直接执行,因此其并不适合作为系统启动代码的存储介质。一般采用NOR Flash存储启动代码并直接执行,然后再引导存储于NAND Flash中的操作系统镜像,这增大了系统成本和功耗。设计并实现了一种基于NAND Flash的CPU安全启动方法。该方法首先通过软硬件结合的方式,在片内NAND Flash控制器中增加块映射表结构,并由NAND Flash中第1块空间存储的代码进行好块寻找和块映射表填写,使NAND Flash的一部分存储空间可以直接映射为硬件可访问的内存空间,从而使得NAND Flash可以作为系统启动的存储介质,实现仅需NAND Flash存储的系统。还提出了一种扩展BootROM的方案,结合NAND Flash地址映射结构,将片内BootROM的一部分扩展到NAND Flash的第1块存储空间中,并通过Hash比对验证BootROM,从而有效降低了片内BootROM的设计复杂度,减少了代码量。通过提出的方法,可以有效地实现单NAND Flash系统的安全启动,降低了系统成本,提高了系统的安全特性。     

NAND Flash内存设备的读写控制设计

针对NAND Flash闪存设备在嵌入式系统中的应用,详细分析了Flash闪存设备的接口设计方法。根据NANDFlash的读写特性,采用Hynix半导体公司的Flash H27U1G8F2B,设计一种闪存数据读写控制方法和驱动流程。该方法能够应用于各种NAND Flash的读写控制,具有良好的程序结构和较高的代码运行效率。     

HybridPlan: a capacity planning technique for projecting storage requirements in hybrid storage systems

Economic forces, driven by the desire to introduce flash into the high-end storage market without changing existing software-base, have resulted in the emergence of solid-state drives (SSDs), flash packaged in HDD form factors and capable of working with device drivers and I/O buses designed for HDDs. Unlike the use of DRAM for caching or buffering, however, certain idiosyncrasies of NAND Flash-based solid-state drives (SSDs) make their integration into hard disk drive (HDD)-based storage systems nontrivial. Flash memory suffers from limits on its reliability, is an order of magnitude more expensive than the magnetic hard disk drives (HDDs), and can sometimes be as slow as the HDD (due to excessive garbage collection (GC) induced by high intensity of random writes). Given the complementary properties of HDDs and SSDs in terms of cost, performance, and lifetime, the current consensus among several storage experts is to view SSDs not as a replacement for HDD, but rather as a complementary device within the high-performance storage hierarchy. Thus, we design and evaluate such a hybrid storage system with HybridPlan that is an improved capacity planning technique to administrators with the overall goal of operating within cost-budgets. HybridPlan is able to find the most cost-effective hybrid storage configuration with different types of SSDs and HDDs     

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.     

JFFS文件系统及其在嵌入式Linux中的应用

首先对Flash和MTD技术作了简单的介绍,然后通过JFFSl与JFFS2两个不同版本的日志文件系统作对比,分析了JFFS2文件系统的基本特性及其数据压缩、碎片收集和平均磨损等关键性技术,最后,介绍了如何在MontaVista-Linux中实现JFFS2文件系统。     

基于NAND Flash的嵌入式文件系统的改进与优化

以NAND Flash为介质的嵌入式文件系统主要存在两方面的不足：启动加载过长、对磨损平衡考虑不足。针对这两点不足，实现了一个新的NAND Flash文件系统，它通过改变数据节点的管理，将文件的控制信息和数据信息分开存储，缩短了启动加载时间；通过在垃圾回收时使擦除块交替存储冷热数据，实现了各擦除块间的磨损平衡。     

基于地址映射的NAND Flash控制器设计

针对嵌入式数据采集系统对NAND Flash进行读写控制时出现的坏块问题和磨损失衡问题,对数据采集系统的工作特点进行分析,借鉴闪存转换层的思想,提出了一种基于地址映射的NAND Flash控制方法,通过建立、维护、查询NAND Flash存储块逻辑地址与物理地址之间的映射关系表,实现NAND Flash的坏块管理和磨损均衡功能,同时介绍了使用地址映射方法的NAND Flash控制器设计过程;仿真测试和实际应用结果表明,基于地址映射方法设计的NAND Flash控制器能够识别、管理出厂坏块和突发坏块,均衡存储块的磨损,提高嵌入式数据采集系统的可靠性;该方法实现过程简单,无需移植文件系统,硬件资源要求低,为嵌入式数据采集系统中NAND Flash的读写控制提供了新的思路。     

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.     

考虑操作时间局部性的NAND闪存脏块回收算法

在闪存存储系统的脏块回收过程中,按照对数据操作的时间,将脏块中的有效数据分拣成"热"数据和"冷"数据,分别写入到当前"热"写入块和"冷"写入块中,减少在回收过程中多次对"冷"数据的无意义重复拷贝;同时在挑选脏块进行回收时,利用脏块中的有效数据量、块的最近更新时间、以及块的磨损程度构造代价函数,选整体效果最优的脏块进行回收操作.实验表明,与当前各种主要脏块回收算法相比,有较好的回收操作效率,降低了总体的块磨损程度,并有较好的块磨损均衡度.     

CSWL: Cross-SSD Wear-Leveling Method in SSD-Based RAID Systems for System Endurance and Performance

Flash memory has limited erasure/program cycles.Hence,to meet their advertised capacity all the time,flashbased solid state drives(SSDs) must prolong their life span through a wear-leveling mechanism.As a very important part of flash translation layer(FTL),wear leveling is usually implemented in SSD controllers,which is called internal wear leveling.However,there is no wear leveling among SSDs in SSD-based redundant array of independent disks(RAIDs) systems,making some SSDs wear out faster than others.Once an SSD fails,reconstruction must be triggered immediately,but the cost of this process is so high that both system reliability and availability are affected seriously.We therefore propose cross-SSD wear leveling(CSWL) to enhance the endurance of entire SSD-based RAID systems.Under the workload of random access pattern,parity stripes suffer from much more updates because updating to a data stripe will cause the modification of other all related parity stripes.Based on this principle,we introduce an age-driven parity distribution scheme to guarantee wear leveling among flash SSDs and thereby prolong the endurance of RAID systems.Furthermore,age-driven parity distribution benefits performance by maintaining better load balance.With insignificant overhead,CSWL can significantly improve both the life span and performance of SSD-based RAID.     

支持Yaffs2文件系统的U-Boot的实现

为了在大容量NAND Flash存储器中运行Yaffs2(yet another flash file system)文件系统,分析了Yaffs2文件系统的结构、原理、性能和嵌入式系统中启动代码U-Boot的功能.在此基础上对U-Boot进行了改进.实现了在嵌入式系统的开发过程中用U-Boot向大容量NAND Flash中写入Yaffs2文件系统,并将其成功应用在正在开发的嵌入式手持设备中,从而可以方便地使用大容量的NAND Flash存储器.     

基于闪存设备分区的新型虚拟EEPROM设备的设计与研究

针对当前嵌入式系统对于低成本迫切需求,研究并设计了一种基于闪存设备（NAND FLASH）的新型虚拟EEPROM（Virtual EEPROM）设备。该设备被虚拟为操作系统NAND设备分区使用,使用数据备份机制确保数据信息安全性。针对NAND只支持页面单元的编程操作,使用缓冲区日志更新的方法,高效地解决Virtual EEPROM字节编程问题。最后通过设计损益均衡层实现NAND存储块的统一管理,对坏块和寿命问题进行大幅优化。分析结果表明,Virtual EEPROM具备NAND快速编程特性,擦写寿命较EEPROM有很大优势。该设计架构具备很好的系统兼容性,可以扩展移植于多种嵌入式平台。     

SD卡直接引导的NANDFlash烧写方法

介绍一种无需下载器或仿真器,可直接采用 SD卡引导基于S3C6410微控制器的裸机嵌入式系统并可烧写NAND Flash的方法,给出了具体原理和实现过程。该方法对开发软硬件要求较低,降低了S3C6410开发环境要求,为类似的嵌入式系统开发提供了新的思路。     

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。