Skip-list 為基礎的nor 快閃記憶體之檔案系統

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(1)國立交通大學網路工程研究所碩士論文. Skip-list 為基礎的 nor 快閃記憶體之檔案系統 A Skip-list-Based NOR-FLASH File System. 研究生：游仕宏指導教授：張立平. 教授. 中華民國九十六年十一月.

(2) Skip-list 為基礎的 nor 快閃記憶體之檔案系統 A Skip-list-Based NOR-FLASH File System. 研究生：游仕宏. Student：Shih-Hong Yo. 指導教授：張立平. Advisor：Li-Pin Chang. 國立交通大學網路工程研究碩士論文. A Thesis Submitted to Institute of Network Engineering College of Computer Science National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master in. Computer and Information Science November 2007 Hsinchu, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十六年十一月.

(3) .. Skip-list 為基礎的 nor 快閃記憶體之檔案系統. 指導教授：張立平. 學生：游仕宏. 國立交通大學資訊工程學系﹙網路工程研究所﹚碩士班. 摘. 要. 在快閃記憶體大量用於嵌入式系統的同時，嵌入式系統上的應用程式強大的資料管理需求和快閃記憶體的大容量皆反應需要有一個好的資料管理方案。目前在快閃記憶體上的檔案系統或索引結構大都使用邏輯位址的方式，不僅掃描時間長且系統資訊需要佔用掉大量的記憶體。這篇論文試著使用實體參照的方式實作一個 skip list 為基礎的索引結構，克服實體參照在 nor 快閃記憶體上獨特的議題，如指標更新傳遞、垃圾回收死結等，提供一個有效率的資料管理方案。而文末將 demo 如何在 skip list 為索引結構的資料管理前提下，簡單的在上面疊架一個檔案系統。關鍵字：快閃記憶體﹙Flash memory﹚，儲存系統﹙storage systems﹚，嵌入式系統﹙embedded systems﹚，作業系統﹙operating systems﹚，檔案系統(file system)。. i.

(4) A Skip-list-Based NOR-FLASH File System student：Shih-Hong Yo. Advisors：Li-Pin Chang. Department﹙Institute of Network Engineering﹚of Computer Science National Chiao Tung University. ABSTRACT. Flash memory has become a crucial component in building embedded computing systems. To manage a massive amount of data, index structures or file systems are needed. The physical characteristics of flash memory, write once and bulk erase in particular, impose many difficulties on realizing structured data. In past work, the notion of logical address space is introduce to decouple changes to data and to the physical addresses of them. To map between logical addresses and physical addresses, RAM-resident translation tables are needed, it may require lengthy initialization scan procedure. In this work, a skip-list implementation based on physical pointers is proposed. It is to investigate the feasibility of organizing data with physical pointers over flash memory. The benefits are that no translation tables and initialization scan are needed. It is also demonstrated that a file system can be easily realized based on the proposed skip-list implementation. Keywords: flash memory, storage systems, embedded systems, operating systems, file system.. ii.

(5) 誌. 謝. 帶著高興夾雜著些微感傷的心情，我即將大步邁出交大北大門。這二年四個月的時間，多謝教授的指導、朋友同學的相伴。回顧這段時間，有歡笑，有淚水－曾在工三 705 流過淚、在電資 701 爆過肝、在電資 705 組過團、在電資頂樓夜烤、夜唱笑傲江湖、夜尋大山背火金姑……。因為有大家的參與，讓我的研究生生活在書本與程式之外，還伴著驚喜快樂，謝謝大家。這一路走來，有了這篇論文的誕生，最需要達謝的是指導教授張立平教授。在您的嚴謹但開放式的指導下，讓我可以自由的想像問題的解決之道；在我失去問題重心時，給予我指引、導正思路。因為您的研究和教導熱忱，帶領我進入且熟悉這個研究領域，才能完成這篇完整且嚴謹的論文。感謝交大各位授課的老師們，提供如此多元的課程，增廣了我在資訊領域的範疇。也感謝遠道而來指導口試的教授羅習五教授、陳雅淑教授，辛勞且細心的審閱，並且提供寶貴的建議，使得論文更臻完善。兩年多來，感謝同學世豪、譽繽、光仁、俊達的激勵和幫助。因為大家的相互合作，使得我可以順利的走過這些日子。感謝千庭、辰暉、松德、家明學弟和惠茹學妹，因為你們的加入，使得實驗室溫暖熱鬧了許多。感謝在我身旁的所有朋友，書顗、睿玨、秀花、建智、瑞銘、…，在這個求學的階段，還是不能少了你們，因為你們是我最大的精神糧食。最後，謹以此文獻給我摯愛的雙親。謝謝. iii.

(6) 目中文提要英文提要誌謝目錄表目錄圖目錄一、二、 2.1 2.2 2.3 2.4 三、四、 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2 4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.2 4.2.3 4.2.4 五、 5.1 5.2 5.3 5.4 六、 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 七、. 錄. ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… Introduction …………………………………………… Motivation ……………………………………………… Flash-memory characteristics ……………………… Logical pointers ……………………………………… Physical pointers ……………………………………… Skip-list over Nor Flash …………………………… Background and Related Work ………………………… A Skip-List-Based File System over NOR flash … Fundamental Issue ……………………………………… Pointer-Update Propagation ………………………… Garbage–Collection Deadlock ……………………… Fast initialization …………………………………… A Skip-List Implementation ………………………… Physical Pointers and Block Layout ……………… Object layout in blocks ……………………………… Pointer-update mechanism …………………………… Garbage Collection …………………………………… Split and Merge action of Partition ……………… Pointer Scrubbing ……………………………………… A Skip-List-Based File System ……………………… Metadata Objects and Data Objects ………………… Key-coding scheme ……………………………………… File Operations and Directory Operations ……… File System mount ……………………………………… Evaluation ……………………………………………… Experimental Setup and Performance Metrics …… 系統指標讀取負擔分析 ………………………………… 機率和階層的分析 ……………………………………… 一個區塊中預留指標個數和物件個數的比例評估 …… 區塊穩定度策略對系統 hot/code 資料的分佈影響 …… Conclusion ……………………………………………… iv. i ii iii iv vi vii 1 2 3 4 5 7 8 9 9 10 11 12 13 13 13 14 16 18 21 23 24 24 26 29 30 30 34 36 39 40 41.

(7) 八、參考文獻. Future Work ……………………………………………… ………………………………………………………………. v. 42 43.

(8) 表表一表二表三. 目. 錄. 各種不同索引結構以不同鍵值的排列順序插入並完全刪除 65536 個鍵值之後所發生之指標更新次數 ……………………………… 在指標個數和物件個數的比例為 2 的條件下，不同指標最大高度使得物件大小不同而造成的空間分配情形 ………………………… 在十三組指標和物件比例下各空間的分配情形…………………. vi. 8 31 33.

(9) 圖圖一圖二圖三. 目. 錄. ………………………………………… logical address with mapping table ……………………… out-place update. 傳統上使用邏輯指標處理 out-place 更新。必需掃描整個快閃記憶體，同時建立轉換表和管理各資料間的控制訊息於記憶體中 …………………………………………………………. 圖四圖五圖六. 實體指標興邏輯指標的比較 …………………………………. 圖七圖八圖九圖十圖十一圖十二圖十三圖十四圖十五圖十六圖十七. 垃圾回收的死結問題 …………………………………………. 圖十八圖十九圖二十圖二十一圖二十二圖二十三圖二十四圖二十五圖二十六圖二十七圖二十八圖二九圖三十圖三十一. out-place 更新帶來的指標失誤 …………………………… out-place 更新會造成有問題的指標，而指標更新的同時，會有指標更新向源頭傳遞的現象 ……………………………………… JFFS2 使用 RAM 的概念圖 …………………………………… spare pointers can block the pointer update propagation. …………………… 快閃記憶體上指標更新的動作 ……………………………… 區塊裡物件的放置和指標的使用狀況 ………………………… 部份分割示意圖……………………………………………… 部份分割將指標更新傳遞侷限在最大高度指標的高度 ………… 區塊實際上的空間分配和邏輯示意圖 ………………………… 垃圾回收動作 ……………………………………………… 區塊分成 context area 和 pointer area. 區塊利用度依照資料的 hot\cold 來分配，hot 資料駐足的區塊利用度高，cold 資料駐足的區塊利用度低 ………………………… 分裂動作。將一個區塊裡的資料搬移到不同的二個區塊而降低空間利用…………………………………………………………… 合併動作。將二個區塊合併成一個區塊而提高空間利用度 …… 區塊穩定度和區塊利用度、分裂次數的示意圖和行為策略 …… 使用 lru 輔助合併動作時區塊的挑選 ………………………… pointer scrubbing ………………………………………… 目錄結構隱藏於 skip list 的 key-coding 中 ………………… 目錄結構與檔案資料分別由 metadata list 和 data list 來維護定址一個物件的動作 …………………………………………. ………………………………… 列舉動作 …………………………………………………… 對一個檔案寫入資料 ………………………………………… sticky list ………………………………………………… super block list …………………………………………… 建立或刪除一個物件的動作. skip list 上 20k 偱序寫入和 20K 讀取，在各機率和各階層中一般指標讀取和 thread 指標讀取的趨勢圖 ………………………… vii. 4 5 5. 6 7 10 12 13 14 14 15 15 16 16 17 18 19 19 19 20 21 23 25 26 27 27 28 29 30 30 34.

(10) 圖三十二圖三十三圖三十四圖三十五圖三十六圖三十七圖三十八圖三十九圖四十圖四十一圖四十二圖四十三. skip list 上 20k 偱序寫入、10K 讀取和 10k 更新，在各機率和各階層中一般指標讀取和 thread 指標讀取的趨勢圖 skip list 上 20k 偱序寫入和 20k 更新，在各機率和各階層中一般指標讀取和 thread 指標讀取的趨勢圖 thread 讀取佔系統讀取次數的分析 skip list 上 20k 偱序寫入和 20k 讀取後，各組機率階層配對的次數分佈圖 skip list 上 20k 偱序寫入和 20k 讀取後，各組機率階層配對的時間分佈圖 skip list 上 20k 偱序寫入、10k 讀取和 10k 更新後，各組機率階層配對的次數分佈圖 skip list 上 20k 偱序寫入、10k 讀取和 10k 更新後，各組機率階層配對的時間分佈圖 skip list 上 20k 偱序寫入、20k 更新後，各組機率階層配對的次數分佈圖。 skip list 上 20k 偱序寫入、20k 更新後，各組機率階層配對的時間分佈圖。區塊抹次數與 ptr/ctt 比例的關係圖區塊穩定度與區塊利用度呈一定正向關係將物件中的串列頭端移進指標區域，可使用動態增長的方式更有效的利用空間. viii. 35 35 36 37 37 38 38 39 39 40 41 43.

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