1 أوتاد في شنتشن، وتشن Yanfen 1، Fangli تشون 1، كريس Tsu2
(1. جامعة هانغتشو للعلوم الالكترونية والتكنولوجيا، وهانغتشو 310018، 2.Sage الدقيقة كورب، كاليفورنيا 95008)
SSD (الحالة الصلبة الصلب، SSD) باستخدام ذاكرة NAND فلاش (ذاكرة فلاش) كوسط تخزين الأساسي للقراءة والكتابة ذاكرة فلاش مختلفة من وسائل الإعلام الأخرى، فإنه يتطلب طبقة الترجمة فلاش (طبقة فلاش الترجمة، فتل) من إدارة الفضاء ذاكرة فلاش . رسم خوارزمية بطريقة تقليدية مع الصفحة (صفحة من الحجم) تدريجيا الزيادات، يتم كتابة كتلة البيانات عشوائي سرعة من حيث صعوبة في التحسن. لمعالجة هذه المشكلة، وطبقة الترجمة فلاش 4 KB رسم الخرائط كتلة البيانات خوارزمية على أساس SSD تحكم رقاقة 110 عملية نانومتر الرامية لتحقيق واجهات SATA-II (3 جيجابت / ثانية معدل نقل البيانات) المتكاملة، والحد الأقصى يمكن أن تكون مدفوعة في موازاة 5 قنوات رقائق الذاكرة فلاش. الخوارزمية يجمع بين الموارد الداخلية للرقاقة، من خلال الكشف عن والموثوقية، وتحقيق الموثوقية وصول السرعة المطلوبة.
A ذاكرة فلاش (ذاكرة فلاش)؛ SSD (SSD و)؛ طبقة تحويل فلاش (فتل)
CLC: TP391.41
كود الوثيقة: A
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.04.009
شكل الاقتباس الصيني: أوتاد في شنتشن، وتشن Yanfen، Fangli تشون، الخ مرتكز على 4 KB كتلة البيانات ورسم الخرائط خوارزمية SSD التكنولوجيا الالكترونية، 2017،43 (4): 36-38،42.
الإنجليزية شكل الاقتباس: لوه جيان جون، وتشن Yanfen، فانغ لي تشون، وآخرون. A-الحالة الصلبة تصميم وحدة تحكم محرك استنادا 4 KB حجم طبقة الترجمة فلاش .Application من تقنيات الالكترونية، 2017،43 (4): 36-38،42.
0 مقدمة
مع التقدم في تكنولوجيا أشباه الموصلات، NAND من نوع ذاكرة فلاش (ذاكرة فلاش) القدرة تتنامى، الأسعار الحصول على أرخص، وهو SSD ليحل محل الشريط كوسيلة للمحركات التقليدية الميكانيكية الصلبة (HDD) في المزيد والمزيد من المجالات . مقارنة مع القرص الصلب الميكانيكي التقليدي، قرص الحالة الصلبة لأنه لا يوجد عنوان المؤازرة، تناوب القرص وتأثير مغنطة المتبقية وجود عرض النطاق الترددي العالي، قد يتم حذف كليا من خصائص استهلاك الطاقة المنخفضة، والبيانات السيزمية وتصبح نقطة ساخنة البحوث . SSD والبيانات أسرع معالجة السرعة والموثوقية والمتانة . جهاز ذاكرة SSD ديه ذاكرة فلاش وجود الخصائص التالية:
(1) وحدة أساسية هي الصفحة المقروءة (صفحة) كتلة كوحدة واحدة، يتم مسح (بلوك) وحدة.
(2) يجب أن تمحى كل كتلة البدني قبل أن تتمكن من كتابة البيانات.
(3) كل كتلة لديها حياة محدودة، أي عدد محو محدودة.
وبناء على هذه المشاكل، وإدخال طبقة الترجمة SSD فلاش FTL . وهو يتضمن البيانات ورسم الخرائط، وجمع القمامة والتسوية الملابس، التخزين المؤقت البيانات وغيرها من القضايا. FTL الخوارزمية، خصوصا ذاكرة فلاش جدول تعيين FMT (فلاش رسم الخرائط الجدول)، هو المفتاح لمستوى تأثير أداء القرص الصلب الحالة الصلبة. التقليدي وضع البيانات ورسم الخرائط باستخدام خرائط الصفحة، وذلك بارتفاع قدره الصفحة فلاش، تعيين الصفحة في قراءة عشوائية والكتابة النقص الواضح في سرعة. يعرض هذه الورقة كتلة من البيانات في 4 وحدات KB لا برسم خريطة الخوارزمية (يشار إليها فيما بعد 4 KB رسم الخرائط خوارزمية) لتحسين سرعة الوصول العشوائي والتحقق يتم اختبار صحة الخوارزمية.
1 FTL ورسم الخرائط الصفحة
يقع FTL بين نظام الملفات والوسائط المادية، وهذه العملية عادة فلاش في الظاهرية على القرص الصلب 512 B في قطاع التشغيل التقليدية. نظام التشغيل يمكن تشغيلها في القطاعات التقليدية، دون ذكر الخوف قبل المشاكل محو / القراءة / الكتابة. ويتم إنجاز جميع منطقية لتحويل الجسدي من قبل FTL.
رسم الخرائط الصفحة هو رسم خريطة أي صفحة منطقية إلى صفحة المادية في فلاش. عندما الخوارزمية رسم الخرائط ليست أكبر من 4 صفحة KB في الخصائص الفيزيائية للأفضل. ومع ذلك، مع زيادة في الصفحة البدنية فلاش، التيار الرئيسي الحالي هو كبير 16 KB الصفحة المادية، والميل للتوسع في 32 KB، الكتابة التضخيم WA (كتابة التضخيم) عامل تصبح كبيرة، مع زيادة في حجم الصفحة الفعلية وعيب كبير من هذه الخوارزمية زيادة. يفترض حجم الصفحة إلى 16 KB، كل كتابة 4 كيلوبايت، الاحتياجات الأساسية:
(1) لا تحتاج إلى قراءة في هذا التعديل صفحة 12 KB.
(2) العثور على الكتابة الجديدة كاملة المادية صفحة 16 KB البيانات (بما في ذلك قراءة 12 كيلو بايت، مكتوبة حديثا 4 KB). وهذا هو، الكتابة 4 KB، في الواقع، يكتب 16 KB، عامل التضخيم كتابة الصيغة (1):
مع الأخذ بعين الاعتبار خريطة إرسال التحديثات جدول FMT وإدارة الموارد أخرى، WA الفعلي هو بالتأكيد أكبر من 4. ومن الواضح أن مثل هذا الأسلوب رسم بسيط غير قادر على تلبية متطلبات سرعة الكتابة، في حين يستهلك أيضا إلى حد كبير فلاش "الحياة".
كتل البيانات 24 KB على أساس رسم الخرائط تصميم FTL
2.14 KB خوارزمية رسم الخرائط كتلة البيانات
وحدة الحد الأدنى من الوصول إلى البيانات عشوائية من 4 KB، وإدارة الحد الأدنى حدة FTL أيضا تعديل بتكيف إلى 4 KB كتلة من إدارة البيانات ورسم الخرائط. المبدأ الأساسي هو: كتابة البيانات من المضيف، وإعطاء كل إدارة عنوان 4 KB، عدة التوالي 4 كيلو بايت من البيانات لتحقيق صفحة كاملة عند مقدار الذاكرة فلاش، والكتابة لهم بدوام كامل فلاش الصفحة. 1، تعيين الصفحة صفحة 4 KB في كتابي فقط، يتم تعبئة الجزء المتبقي مع غيرها من البيانات، 16 KB 4 KB في الفضاء تسجيل البيانات فقط صالحة، وخاصة عند استخدام 4 KB فلاش الوصول العشوائي قراءة والكتابة ( عندما 4 KB عشوائية R / W)، واضح بشكل خاص رسم الخرائط الصفحة العيب ورسم الخرائط و4 KB يكتب ميزة بارزة. A دولة عقلانية، 4 KB رسم الخرائط الكتابة عامل التضخيم WA = 1. هذه طريقة الكتابة التي يكتب سرعة الكتابة العشوائية تقريبا على مقربة من تيار مستمر من البيانات، وتحسين كبير أداء الكتابة العشوائية.
بطبيعة الحال، فإن التحليل أعلاه هو حالة مثالية، بشرط أن ذاكرة فلاش وجود كتلة لانهائية فارغة (أو الصفحة) انتظار للاستخدام. في الواقع، كتلة ذاكرة فلاش (ع) يقتصر، الحاجة إلى وضع بعض الافراج عن كتلة إدارة فلاش تحتوي على بيانات غير صالحة بها، والتي كثيرا ما يقال أن جمع القمامة "جمع القمامة"، ووضع التعافي في الوقت المناسب لمحو كتلة الاستعداد نظيفة. سيؤدي هذا إلى طاولة رسم الخرائط المحدثة (إلى الكتابة)، بحيث WA هو قليلا أكبر من 1. وفي الوقت نفسه، كتلة المسح وجمع القمامة يستغرق وقتا طويلا، حتى أن معدل الكتابة عشوائي قريب جدا من تيار مستمر من البيانات المكتوبة، والاختبار الحقيقي هو الوحيد القادر على "وثيقة" بدلا من "يساوي" أو "انتهت".
4 KB كوحدة بناء على رسم الخرائط، وبطبيعة الحال، وتحسين كبير في أداء الكتابة، ولكن عندما تتم قراءة المعلومات، وجلب عبئا إضافيا:
(1) في حالة من 16 خريطة KB صفحة، طاولة خريطة البحث يمكن قراءة 16 كيلو بايت من البيانات، أي مرة واحدة كل 16 KB فلاش يبحث في جدول تعيين. في وحدات KB 4 معين لقراءة كل البحث في الوقت يصبح من الضروري للبحث عن 4 KB. لذلك، وزيادة أداء الكتابة العشوائية، إلى حد ما، فمن للحد من أداء قراءة عشوائي للتوصل الى تسوية. فقط في أداء الأجهزة تحسنت كثيرا في إطار فرضية سرعة البحث وعالية، والحد من سرعة قراءة عشوائية وأداء الكتابة العشوائية لتحسين عامل تخفيض التضخيم ضد الكتابة مقارنة WA، وهي ثمينة جدا.
(2) تعيين في 4 KB كحد أدنى وحدة يسبب يتم زيادة مساحة التخزين جدول تعيين أضعافا مضاعفة.
لنفترض أن من الصعب قرص التخزين 128 GB، ويتميز عنوان كل وحدة عن طريق تعيين عدد من وحدات البايت هو 4، وذلك باستخدام 4 KB رسم الخرائط، وحجم جدول تعيين 128 MB. منذ الجداول تعيين المستخدمة في تحديد مواعيد لرقاقة الدائرة المتكاملة داخل مخابئ رقاقة عموما استخدام حققت SRAM. من 1 ميغا بايت من حجم SRAM للفضاء الحالي احتلت من قبل شرائح الدوائر المتكاملة أن يكون هناك الكثير من الفضاء، والتكلفة ليست عالية. تصميم الواقع، واستخدام طرق جدولة الفرعية لحل المشكلة. أي التيار المطلوبة لقراءة المقطع الجدول SRAM، في حين أن بقية رقاقة تخزينها في الفضاء الخارجي. رقاقة مساحة التخزين الخارجي في شكلين: DRAM خارجي (ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية) وذاكرة فلاش (ذاكرة فلاش).
2.2 خوارزمية القراءة والكتابة بسرعة وتحليل الأداء
التحليل التالي من الكتابة عشوائي 4 من 4 KB البيانات، فلاش حجم الصفحة سرعة 16 KB اثنين رسم الخرائط.
4 عندما كتابة البيانات عشوائي من 4 كيلوبايت، 4 KB رسم الخرائط السرعة القصوى كتابة الخوارزمية (بدون جدول تعيين استبدال)، انظر صيغة (3):
سرعة الكتابة الحد الأدنى (كل 4 KB يجب أن تحل محل كل من جدول تعيين) انظر المعادلة (6):
ن هو الوقت المناسب لنقل البيانات 12 KB، آر هو تأخير الوقت للقراءة (أي قراءة مشغول). المقارنة بين صيغة (3) و (5)، وصيغة (4) و (6) و 4 KB التي هي أعلى من سرعة الكتابة ورسم الخرائط خريطة الصفحة.
لSSD 128 GB، ذاكرة فلاش جدول تعيين 32 MB، إدارة الموارد كما هو موضح هنا رقاقة 8 KB SRAM، وجود 4 M "جدول تعيين شريحة" (حجم 8 KB لكل منهما)، منها سوى بعض قطاعات خريطة هي 8 KB SRAM استيراد (المشار إليها باسم "الذاكرة الحالية الجدول شريحة")، يمكنك أن تكون دائما استعلام البحث. وهكذا، فإن الكتابة عشوائي أربعة 4 كيلو بايت من البيانات، وهناك أربعة احتمالات تقع في FMT يتوافق توزيعها على:
3 خرائط معمارية الرقاقات كتلة البيانات خوارزمية 4 KB
الحالة الصلبة الجسم القرص الثابت تحكم الخوارزمية هو الشكل النهائي لتشغيل البرامج الثابتة في الحالة الصلبة تحكم القرص رقاقة. خوارزمية للكتل البيانات 4 KB تعيينها هنا، FIG. يظهر 2 هيكل الخوارزمية المستخدمة للتحقق من رقاقة تحكم SSD. وينقسم رقاقة إلى قسمين: الرئيسية وحدة مراقبة المعالج (وحدة المشرف المعالج، SPU) وقنوات للتحكم في الذاكرة فلاش (قناة المعالج، حزب الشعب الجمهوري).
SPU الطرفية واجهة وحدة تتألف من وحدة المعالجة المركزية 32 بت، SATA وحدة واجهة، والمقابلة رقاقة ذاكرة التخزين المؤقت البيانات. SPU هنا حاجة خاصة لجعل العلاج الفعال لNCQ (الأصلية القيادة كيو)، وهو عنصر أساسي آخر من قراءة عشوائية وأداء الكتابة. NCQ 4 KB عملية فلاش يتطلب خوارزميات رسم الخرائط المعقدة للقيام ببعض طابور محددة حاول مرة أخرى لجعل البيانات متتالية القراءة 4 من 4 كيلو بايت (أو الكتابة)، تدفق البيانات ليس فقط في نفس الاتجاه، ولكن تقع يفضل أن يكون داخل نفس جدول تعيين الجزء، هذا السيناريو احتمال (1)، لتحسين الوضع (1) من 2.2 ليتم التعبير عن خوارزمية الأكثر ملاءمة. القسم تحكم رقاقة 5 الجمهوري المستقل، 5 توفير قناة الحقيقية قدرات المعالجة المتوازية. وتضم كل وحدة الشعب الجمهوري على RISC CPU، DMA (الوصول المباشر للذاكرة)، ومراقبة بيانات ذاكرة التخزين المؤقت 8 بت، وحافلة ذاكرة فلاش. العازلة البيانات باستخدام 16 K العازلة و 8 K FIFO، منذ FMT تحتل مساحة كبيرة، وذلك باستخدام جزء الجدول FMT دعوة الإرسال، في كل مرة حجم الجدول نقل وحجم SRAM، وزيادة الذاكرة SRAM، والتي يمكن الاحتجاج بها جدول تعيين شريحة أكبر، وعدد من قطاعات خريطة تكون أقل، تبعا للحالة أعرب 2.2 (1)، وأصغر الجدول الشريحة، واحتمال المقابلة التي تدخل في نطاق جدول تعيين نفسه سوف تزيد، وهو أمر مفيد لتحسين خوارزمية عامل.
4 النتائج
خوارزمية تقوم على الأفكار والعمارة رقاقة، حققنا الحالة الصلبة تصميم القرص الثابت تحكم رقاقة. التكنولوجيا نانومتر رقاقة 110، أحرز الإنتاج الضخم على رقاقة السيليكون 8 بوصة. حجم رقاقة من 3.908 مم 3.746 مم، SATA PHY هو الدوائر التناظرية عالية السرعة، وجود معدل نقل البيانات من 3 جيجابايت / ثانية هو. نفذت باستخدام خريطة الذاكرة SRAM. دائرة إدارة الطاقة، يتم تحويل المتكاملة على رقاقة التيار الكهربائي 5 V إلى I / O دائرة الجهد من 3.3 V، ورقائق ذاكرة فلاش المطلوبة، كما أنتج 1.2 V رقاقة القوة المطلوب.
من أجل اختبار تأثير هذه الخوارزمية، وذلك باستخدام اثنين M NAND نماذج ذاكرة فلاش في السوق لاختبار ومقارنة، وهو فلاش حجم الصفحة 8 KB، ذاكرة فلاش آخر هو 16 KB، من نفس السلسلة، وغيرها من المعالم هي في الأساس نفسه مثل الكمون للقراءة من 75 ميكرو ثانية، برمجة (الكتابة) وقت الانتظار 1300 ميكرو ثانية. كلا اختبارها باستخدام التعيين الصفحة فلاش وسرعة نقل عشوائية بنسبة 4 KB برنامج رسم الخرائط 4 KB كتابة البيانات بسرعة، كما هو مبين في الجدول رقم 1. ويمكن ملاحظة: إذا كان حجم الصفحة هو 8 كيلو بايت أو 16 KB، 4 KB متوسط سرعة أسرع بكثير من رسم الخرائط من خريطة الصفحة، والصفحة أكبر، والسرعة هي سرعة رسم خرائط 4 KB رسم الخرائط الصفحة زيادة الفجوة.
5. الخاتمة
اقترح FTL خوارزمية تقوم على 4 KB خريطة كتلة البيانات، وثبت 4 KB حجم كتلة البيانات استنادا إلى خريطة قد تحسين سرعة الوصول العشوائي، وخاصة لخوارزمية شيدت SSD رقاقة من قبل شريحة حقيقية كيان للتحقق من التحليل النظري. مجموعة البحث ومزيد من الدراسة، بما في ذلك تكوين الدوائر مطابقة سرعة SATA-III، وكيف أن تقتصر على رقاقة ذاكرة لجدول تعيين المتنامية، ومتطلبات كبيرة تخزين البيانات، والبيانات الباردة معالجة الحرارة إلى مادة صلبة الاختلافات في التخزين على القرص الصلب.
مراجع
LAURA M G، M ADRIAN C، C JOEL، وآخرون al.Characterizing ذاكرة فلاش anmomalies والملاحظات والطلبات // وقائع 42 الندوة الدولية السنوية IEEE / ACM على الصغير achiteture، 2009: 24-33.
TANAKAMARU S، M DOI، TAKEUCHI K.NAND فلاش الذاكرة / ReRAM الهجين موحدة العمارة الصلبة للدولة التخزين .IEEE المعاملات على الدوائر والنظم الأول: الأوراق العادية، 2014،61 (4): 1119-1132.
هوانغ جيان، AnirudhBadam، معين الدين قريشي K، وآخرون al.Unified ترجمة عنوان لسواقات الذاكرة المعنونة مع خريطة فلاش // وقائع 42 الندوة الدولية السنوية على الحاسوب الهندسة المعمارية (ISCA) .ACM 2015.
شيا Qianbin شياو Weijun.Flash علم أداء عالية ومخبأ محتمل // في 23 الندوة الدولية IEEE على النمذجة، والتحليل، ومحاكاة الحاسب الآلي ونظم الاتصالات السلكية واللاسلكية (التمائم)، 2015.
IAN S.Osborne.Flash الذاكرة .Science، 2000،289 (5477): 217.
لي سانغ وون، وبارك دونغ جو، تشونغ تاي سون، وآخرون al.A سجل القائم عازلة طبقة الترجمة فلاش باستخدام الترجمة القطاع النقابي بالكامل المعاملات .ACM على جزءا لا يتجزأ من نظم الحوسبة، 2007،6 (3): 1-27.
