固态硬盘小请求优化研究

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基于闪存的固态硬盘凭借其优异的I/O性能等优势逐渐在诸多领域代替传统机械硬盘成为主要存储设备。不同于机械硬盘,固态硬盘以闪存页为最小读/写单元,其大小一般数倍于主机系统发送I/O请求的最小粒度。近年来随着闪存页大小不断增加,这种上层主机系统与底层存储设备之间最小访问粒度不匹配的现象愈发明显。访问粒度不匹配导致主机系统向固态硬盘发送了大量具有请求尺寸小于闪存页大小特点的请求,本文中称这类请求为小请求。固态硬盘在处理小请求时,请求逻辑地址范围是否横跨两个逻辑页这一因素会使小请求因不同原因对固态硬盘产生负面影响。因此本文根据这一观察完成了以下优化工作:首先,跨页类型的小请求(跨页小请求)在地址映射过程中会被映射进两个闪存页,进而导致额外的闪存读/写操作。针对这一特点,本文提出了跨页小请求重映射机制,该机制通过一个二级映射表实现将跨页小请求区别映射进一个单独的闪存页中,后续对该请求数据的访问也能通过一次闪存读操作完成。其次,非跨页类型的小请求(页内小请求)会产生对闪存页的“部分写”,进而造成了大量的页内碎片。针对这一特点,本文提出了基于部分编程技术的页内更新机制,该机制通过将页内小请求更新数据写入原数据所在闪存页的空闲空间中,在避免了由部分编程技术导致的数据干扰问题的基础上有效缓解了由页内小请求带来的负面影响。并且通过基于数据更新频率的数据迁移机制,将更新频率较高的热数据保存在使用寿命较长的闪存块中,以达到延长固态硬盘使用寿命的目的。最后,为了验证所提出机制的有效性,本文在SSDsim模拟器上分别实现了上述两种优化机制以及相关对比方案。实验结果表明,本文提出的针对两类小请求的优化机制不仅能够减少固态硬盘I/O响应时间,还可以有效提高固态硬盘的空间利用率以及使用寿命。
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