论文闪存数据管理中闪存转换层映射策略，该文是关于数据管理方面本科论文范文和闪存数据管理和映射和转换相关本科论文范文.
【摘 要】 由于固态硬盘的物理结构和存储介质 NAND FLASH 的先擦后写以及擦除次数有限等特性使得应用于传统硬盘的文件系统不能直接应用于固态硬盘,解决这些问题的方案是在闪存设备之上增加一个 FTL(Flash Translation Layer) 将闪存设备模拟成与磁盘一致的块设备结构,从而使得传统的存储管理技术可以直接应用于闪存设备上.本文主要从专利文献的视角对闪存转换层的映射
策略重要技术分支：页映射、块映射、混合映射进行了剖析.
【关键词】 固态硬盘 Flash 闪存转换层 FTL
一、概述FTL 实现逻辑地址到物理地址之间映射,此外还执行数据的一致、垃圾回收和磨损均衡等其他操作.FTL 的主要思想是把物理页隐藏起来,而把逻辑页呈现给操作系统.随着信息量爆炸式增长,推动存储器的发展,不同的应用领域导致需要不同的存储映射策略.
二、闪存转换层FTL 的映射策略
按照映射信息的映射粒度,FTL 可以在页级,块级或混合级实现对映射表的管理.
2.1 页映射
这是一种高效灵活的映射方法,它可以把任何一个逻辑页映射到任意的物理页,每个映射关系对应一个映射条目.由于这个特点,此种映射方法不会出现全合并操作,因此,在提升读写性能、减少擦除次数、提高闪存寿命的各项技术研究中,页级映射都发挥着不可替代的作用.其示例性专利申请如CN103019616B 公开了将同一物理页映射至相互耦合的两个逻辑页,其中一个逻辑页由物理页中的最低有效位映射组成,另一逻辑页由物理页中的最高有效位映射组成的页级映射方案
2.2 块映射
因为页映射算法要求很大的 RAM,所以它只能适用小型嵌入式系统.为克服这个缺点,Takayuki Shinohara 提出了块映射算法.块映射算法里,逻辑到物理的映射表的数量是FLASH 中块的数量.在块级地址映射中,一个页的逻辑地址被分为逻辑块号和块内偏移两部分.地址映射表只保存逻辑块到物理块的映射关系,而逻辑地址的块内偏移与物理块内偏移相同.由于采用粗粒度的映射,映射表显著减少.假如N 个页面组成一个块,跟基本的页映射算法相比,块映射的映射表数量降低为原来的 1/N,使得整个映射表能够完全的存储在 RAM 中.块级映射页占用内存少,地址解析简单,对读操作相当有效.其示例性专利申请CN1329842C 公开了通过把高速缓冲存储器的内容存储到第二物理块中之后,把第二物理块映射到第一逻辑块；解除第一物理块和第一逻辑块的映射,解决现有的存储器中写入块和擦除块导致存储器系统的性能相对显著降低的问题
2.3 混合映射
由于页映射的映射表维护需要耗费很大的SRAM,而SRAM 非常贵；块映射策略不利于数据更新,如果一个块中的页需要更新,需要将这个块的数据写到另外一个物理块上,然后擦除原来的块,导致了写入放大,为了克服页映射和块映射各自的缺点,混合映射算法被引入.混合映射是把闪存的数据分为两类：数据块和日志块.日志块用来临时存储对数据块的写数据,当更新数据块中的数据时,先确定一个空白块作为更新块,然后写入数据,数据块的映射采用块映射实现,而更新块内的页采用页映射实现.其示例性专利申请如CN100470506C 公开了根据物理块中的逻辑块号和物理页中的逻辑页号,在RAM 中建立两级反向的映射表,先建立第一级映射表,把逻辑空间中的每个逻辑块映射到唯一的一个物理块上去,然后为每个逻辑块建立一张第二级映射表,把在这个逻辑块中的逻辑页映射到对应物理块中的物理页上去.
对于混合映射的算法层出不穷,具体地,可以划分为两大类,一类是基于块的混合映射策略,一类是基于页的混合映射策略.而在每一大类的映射策略中,根据读写性能的要求,其算法又并非千篇一律,基于块的混合映射策略常见的算法有NFTL、BAST、FAST、SAST 等；基于页的混合映射策略常见的算法有CFTL、DFTL 等,下面罗列常见的混合映射的算法.
1. 基于块的混合映射
(1)NFTL 是第一个实用的适用于闪存的混合映射 FTL 算法.NFTL 算法是在一个物理块上再映射一个虚拟块.映射表会为一个逻辑块映射两个物理块,一个叫做主物理块,另一个叫做替代物理块.然而,当文件系统对同一个逻辑地址多次下发写命令时,就会造成相当多的页的搬移和块擦除操作,性能下降明显.
(2) 为了提高物理空间的利用率,J.Kim 对 NFTL 进行了改进,提出了BAST(Block Associative Sector Translation) 算法,BAST 算法将数据块和替换块的有效数据复制到新的数据块中,然后再为新的数据块分配一个替换块.
(3)FAST(Fully-Associative Sector Translation) 是 BAST 的改进,主要目的是克服BAST 的低空间利用率问题和块抖动问题.FAST 和 BAST 很相似,他允许所有的数据块都共享替换块,并把替换块分成两部分,一部分用于小颗粒的随机写(RW),一部分用于顺序写(SW).由于实际负载 Trace 的写操作中往往有大量的顺序写,所以 FAST 设计了专门的替换块进行顺序写,而组相联的替换块专门用于小粒度的随机写,为两种替换块保留独立的页映射表.
(4)Park 提出了SAST 策略,将数据块和替换块划分成组,特定的数据块组只能与特定的替换块组映射.
2. 基于页的混合映射
(1). 为了更好的利用有限的 SRAM 空间,Gupta 先生提出了 DFTL 算法.DFTL 的思想是在 FLASH 上的一些页保存了 page-level 的映射,分散在整个FLASH 中,在内存里面有一个 block-level 的映射表,记录了每个 page-level 映射表在 FLASH 中的地址.内存中的映射表相当于二级页表中的Page directory,指向了 FLASH 上的 page-level 映射表,另外内存中还有一个全局的 page-level 的映射表用于记录最近访问到的页的逻辑到物理的映射,DFTL 可以比较好的减少垃圾回收负荷,同时仅需要很小的内存空间,不是像传统的方法将映射表存储在 SRAM 里面,而是把所有的映射表存储在FLASH 里,根据负载访问方式动态的上传和下载映射表.
通过以上分析可知,混合映射是当前使用最多的一种闪存映射方案,因其映射算法多种多样,基于该映射策略的进一步研究还在火热进行,其正朝着更加精细化、复杂化的方向发展.
三、结束语
本文对现有技术中闪存转换层的映射策略进行了分析梳理,重点对页映射、块映射以及混合映射的技术分支进行详细阐明,并例举了相应的专利申请,为未来闪存转换层映射策略的研究个改进提供了参考.
上文点评,此文为关于闪存数据管理和映射和转换方面的相关大学硕士和数据管理本科毕业论文以及相关数据管理论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料.
参考文献：
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