閃存存儲器主要分為NAND和XOR兩種類型，其中NAND型是專為數(shù)據(jù)存儲設計。本文的閃存映射方法主要是針對NAND類型的閃存芯片。一個NAND類型的閃存芯片的存儲空間是由塊(Block)構成，每個塊又劃分為固定大小的頁，塊是擦寫操作的最小單元，頁是讀寫操作的最小單元。由于閃存存儲器的硬件特性，閃存的更新操作有自己的特點，在對數(shù)據(jù)進行更新前需要先進行擦寫操作，然后才能將新數(shù)據(jù)寫入，并且擦寫操作是以塊為單位，讀寫操作是以頁為單位。由于擦寫操作涉及的最小單元遠大于讀寫操作的最小單元，需要對一個擦寫塊內不需要更新的數(shù)據(jù)提供有效的保護。在閃存存儲管理中普遍采用的數(shù)據(jù)更新方法是非本地更新的方法(Out-place Update)，通過構建閃存映射層，在進行更新操作時，將更新的數(shù)據(jù)寫到其他空閑的存儲位置，利用內存中的地址映射表記錄數(shù)據(jù)存儲位置的變化。非本地更新的方法避免了更新時整塊數(shù)據(jù)的讀出寫入，從而減少數(shù)據(jù)復制次數(shù)和塊擦寫次數(shù)，提高系統(tǒng)的整體性能。閃存映射層是閃存進行非本地更新存儲管理的關鍵，主要由地址映射和垃圾回收機制兩部分構成。

根據(jù)地址映射粒度的不同，可以將地址映射方法分為三種：頁映射(Page Mapping)、塊映射(BlockingMapping)和混合映射(Hybrid Mapping)。頁映射是以頁為單位進行地址映射，在內存中保存基手頁的映射表，每一邏輯頁都有一項與之對應的物理頁，頁映射方法具有靈活性高的優(yōu)點，但由于需要為每個邏輯頁面建立地址映射表項，需要占用大量內存空間。塊映射算法是以塊為單位進行地址映射，邏輯塊內地址偏移與物理塊內偏移保持一致。該方法僅需要在內存中保留塊映射表，建立從邏輯塊到物理塊的映射關系，塊映射算法優(yōu)點是內存占用量少，不受閃存容量增大的影響，缺點是在處理小數(shù)據(jù)更新上性能較差，一小塊數(shù)據(jù)的更新會引起對整個塊內容的復制?；旌嫌成浞椒ńY合了塊映射和頁映射的優(yōu)點，首先以塊映射方法建立邏輯塊和物理塊的映射關系，同時對塊內數(shù)據(jù)采用頁映射方法組織?；旌嫌成渌惴▋却婵臻g占用量少，同時對小數(shù)據(jù)更新比塊映射算法更加靈活、代價少。

垃圾回收是閃存存儲系統(tǒng)特有的空間管理機制。在閃存存儲管理中，由于采用非本地更新的方法，當閃存的存儲空間消耗完時，就需要回收無效數(shù)據(jù)占用的空間。為了回收無效數(shù)據(jù)占用的空間，必須先將擦寫單位內的有效數(shù)據(jù)轉移到其他空閑區(qū)域，然后擦寫整個單元，回收過程主要涉及有效數(shù)據(jù)復制和塊擦寫兩個耗時耗能的操作。垃圾回收工作需要從閃存中選擇回收對象，轉移有效數(shù)據(jù)，最后完成對象擦除。進行垃圾回收時選擇不同的區(qū)域進行擦除，代價是不同的，垃圾回收器設計的目就是要減少有效數(shù)據(jù)復制和塊擦寫次數(shù)，以提高系統(tǒng)性能。不同粒度的地址映射方法在不同寫模式下，垃圾回收的性能有較大差異。在此給出了一種能夠根據(jù)寫模式進行自適應判斷的閃存映射方法。通過對順序寫和隨機寫進行判斷，將順序寫從隨機寫中分離，對順序寫采用塊映射組織日記塊數(shù)據(jù)，對隨機寫采用混合映射方法，并為熱數(shù)據(jù)分配多個日記塊，延遲對熱數(shù)據(jù)的垃圾回收，以提高垃圾回收的性能。通過實驗表明這里構建的閃存映射方法能夠在不需要占用大量的內存空間前提下，減少垃圾回收過程的有效數(shù)據(jù)復制和塊擦寫，從而優(yōu)化閃存系統(tǒng)的性能。

1 閃存存儲系統(tǒng)的體系結構

本文構建的閃存存儲管理的體系結構見圖1，將系統(tǒng)分為文件系統(tǒng)層、閃存管理層和閃存驅動層。閃存映射層負責對閃存設備進行存儲管理，通過地址映射和垃圾回收技術將閃存轉換為塊設備。地址映射主要完成閃存塊的分配和地址映射信息管理，負責處理文件系統(tǒng)層的讀寫請求，將文件系統(tǒng)提供的邏輯地址轉換為閃存的物理地址；垃圾回收則負責回收無效數(shù)據(jù)占用的空間，主要涉及有效數(shù)據(jù)復制和塊擦寫兩個耗時耗能的過程。



1.1地址映射結構

閃存映射層的作用是將文件系統(tǒng)的邏輯地址轉換為閃存的物理地址，因此需要在內存建立邏輯地址和物理地址的映射關系，同時管理物理地址的狀態(tài)變換。本文通過圖2所示的地址映射結構進行地址映射管理，將文件系統(tǒng)提供的邏輯地址分為四部分：邏輯組號、組內塊號、塊內頁號和頁內偏移地址。其中邏輯頁和邏輯塊大小分別與閃存存儲器的讀寫頁和擦寫塊大小相同。每個邏輯組是由N個連續(xù)的邏輯塊構成，N可以根據(jù)應用類型進行設置，在圖2中N的數(shù)目為2。將閃存存儲器中的物理塊分為數(shù)據(jù)塊和日記塊，數(shù)據(jù)塊用于存放原數(shù)據(jù)，日記塊用于存放更新數(shù)據(jù)，同時又將日記塊劃分為順序日記塊和隨機日記塊。數(shù)據(jù)塊和順序日記塊內的內容是以塊映射方法組織，而隨機日記塊采用混合映射粒度組織數(shù)據(jù)。邏輯塊和數(shù)據(jù)塊通過內存中的塊映射表建立對應關系，每一個邏輯塊都有惟一的數(shù)據(jù)塊與之對應。與邏輯組對應的N個數(shù)據(jù)塊構成一個數(shù)據(jù)組。每個順序日記塊對應惟一的數(shù)據(jù)塊，在對數(shù)據(jù)塊進行順序更新操作時，為其分配順序日記塊存儲更新數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)組可以根據(jù)需求動態(tài)分配多個隨機日記塊，日記塊的數(shù)目是由該組數(shù)據(jù)訪問的冷熱屬性來決定的，對于有頻繁更新數(shù)據(jù)的組會動態(tài)分配較多的日記塊。隨機日記塊是組內共享的，對組內任一數(shù)據(jù)塊的隨機更新數(shù)據(jù)都可以存儲到隨機日記塊中，從而提高空間利用率。為了提高查找效率，對有隨機日記塊的數(shù)據(jù)組，在內存中構建組內頁映射表，記錄邏輯地址對應的更新數(shù)據(jù)在隨機日記塊內的存儲位置，通過組內頁映射表，在進行讀取時不需要遍歷日記塊來獲取數(shù)據(jù)的存儲位置，從而提高系統(tǒng)性能。



1.2寫請求處理過程

地址映射的主要作用是通過在內存中構建地址映射表，將文件系統(tǒng)的邏輯地址轉換為物理地址，在系統(tǒng)進行讀請求時，利用地址映射表查找到存儲在閃存設備中的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)進行寫請求時在閃存設備上查找空閑位置存儲數(shù)據(jù)，更新地址映射表，記錄數(shù)據(jù)的新存儲位置，同時將舊數(shù)據(jù)標記為無效。

在本文中為每個數(shù)據(jù)塊設定狀態(tài)位來標記該塊當前的訪問模式，將每個數(shù)據(jù)塊訪問模式分為順序寫和隨機寫。在進行寫請求時，首先計算出數(shù)據(jù)所屬的邏輯塊和塊內偏移地址，判斷數(shù)據(jù)所在塊的訪問模式，如果所在塊是順序寫，利用塊映射表，將數(shù)據(jù)寫到順序日記塊中。如果所在塊為隨機寫，將更新數(shù)據(jù)寫到數(shù)據(jù)組的隨機日記塊中。訪問模式主要是根據(jù)過去的數(shù)據(jù)存儲訪問行為進行判斷的，如果對某一邏輯地址在短時間內進行了多次更新，認為系統(tǒng)對該地址進行的是隨機寫，對其所屬塊將采用混合映射方法進行存儲管理，以優(yōu)化小數(shù)據(jù)頻繁更新導致的性能問題。訪問模式的判斷是通過內存中的雙鏈表來實現(xiàn)的，如圖3所示。在內存中構建兩定長的地址鏈表，一個鏈表為順序鏈表，另一個鏈表為隨機鏈表。順序鏈表中保存最近進行順序寫的數(shù)據(jù)塊，而隨機鏈表中保留最近進行隨機寫的數(shù)據(jù)組。兩鏈表都根據(jù)最后一次訪問時間進行排序，將鏈表分為最近最少訪問端(LRU)和最近最多訪問端(MRU)，在每次進行更新操作時，將更新數(shù)據(jù)所在的塊或組提升到鏈表的最近最多訪問端。當對數(shù)據(jù)塊首次進行更新操作時，判斷該數(shù)據(jù)塊進行的是順序寫，標記該塊的訪問狀態(tài)為順序寫，并將該數(shù)據(jù)塊添加到順序鏈表中。如果數(shù)據(jù)塊內已更新過的數(shù)據(jù)在短時間內再一次被更新，即順序日記塊內對應的存儲空間已填充數(shù)據(jù)，判斷該數(shù)據(jù)塊的訪問模式為隨機寫，將其從順序鏈表中刪除，標記該塊的訪問狀態(tài)為隨機寫，同時添加該塊所在的數(shù)據(jù)組到隨機鏈表中，以后對該塊的更新數(shù)據(jù)將存儲到隨機日記塊中，直到該數(shù)據(jù)組從隨機鏈表中刪除。