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UBIFS 损耗均衡对系统I性能的影响

UBIFS 损耗均衡对系统I性能的影响

计 算 机 工 程 第 35 卷 第6期

Vol.35 No.6 Computer Engineering · · 开发研究与设计技术

文章编号:1000—3428(2009)06—0260—03

文献标识码:A

2009年3月

March2009

中图分类号:TP391

UBIFS损耗均衡对系统I/O性能的影响

韩春晓,陈香兰,李 曦,龚育昌

(中国科学技术大学计算机科学与技术系,合肥 230027)

摘 要:分析flash文件系统的损耗均衡问题,指出损耗均衡的触发条件对系统I/O性能的影响。在最新UBIFS文件系统上运行测试程序,结果证明在不同损耗均衡触发条件下,系统I/O性能的最大差距超过20%。针对现有损耗均衡算法的不足提出一种改进的自适应算法。 关键词:损耗均衡;垃圾回收;系统I/O性能;flash文件系统

Impact of UBIFS Wear-leveling on System I/O Performance

HAN Chun-xiao, CHEN Xiang-lan, LI Xi, GONG Yu-chang

(Department of Computer Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230027)

【Abstract】This paper analyzes the problem of file system wear-leveling, and points out that the wear-leveling trigger condition will impact system I/O performance. Benchmark is performed on a latest flash file system——UBIFS, and the results show that system I/O performances vary by 20% under different trigger threshold. Aiming at the shortcoming of existing wear-leveling algorithm, it proposes an improved self-adapting algorithm. 【Key words】wear-leveling; garbage-collection; system I/O performance; flash FS

1 概述

flash具有低成本、高存储密度、非易失、抗震荡等优点,适用于嵌入式系统,但它存在坏块、位反转和编程/擦除寿命有限等缺点,不利于flash文件系统(File System, FS)的设计。为了提高flash整体寿命,通常需要考虑其损耗均衡。

UBIFS[1]是正在开发中的最新flash FS,它是JFFS2的后继版本,提供了灵活高效的损耗均衡机制。目前对UBIFS的分析和研究集中在单纯的文件系统I/O性能上[2],尚无有关不同损耗均衡触发条件对I/O性能影响的量化分析和研究。本文分析损耗均衡与系统I/O性能之间的关系,介绍UBIFS中的损耗均衡,并在UBIFS上运行实际的测试程序,对分析得到的结论进行验证,以获得损耗均衡引起的开销及其对系统I/O性能的影响情况。

即需要选取一个合适的源擦除块,将其中的有效数据复制到另外一个可用擦除块上,并将源擦除块擦除从而使之重新成为一个可用擦除块。两者的区别是其目的不同,垃圾回收操作是为了获取可用擦除块,损耗均衡操作是为了消除不同擦除块之间擦除次数的不平衡。两者都需要考虑触发时机、操作开销及其对系统I/O性能的影响。以损耗均衡为例,如果损耗均衡的触发条件太严格,就会引起更多读写擦除操作,导致整体I/O性能受影响。

2.3 数据属性对损耗均衡的影响

一个文件系统中的数据通常可以划分为2种:(1)静态数据,如操作系统的内核镜像、库文件、可执行文件等,它们一旦被初始化写入,就很少或基本不会被更新。(2)动态数据,如日志文件、应用程序的输入输出数据等,它们会被持续更新。

由于静态数据所在的擦除块可能一直得不到充分使用,而动态数据所在的擦除块可能被过分使用,因此将导致损耗不平衡。鉴于上述问题,应准确判断数据类型,并将此信息用于损耗均衡,如选取存储静态数据且擦除计数较低的擦除块作为源块,将其中的数据复制到擦除计数较高的可用目的块中,并将源块擦除成为可用块。随着系统运行,源块较低的擦除计数会迅速增加,而由于擦除计数较高的目的块存储了静态数据,因此其较高的擦除计数不会显著变化。

2 相关概念

2.1 flash FS的损耗均衡

flash与传统硬盘的基本I/O操作有很多不同,例如,flash的读写可以以位(NOR flash)或页(512 Byte NAND flash)为单位,但擦除操作必须以擦除块为单位。擦除块通常较大且寿命有限,一般为105次(NOR flash)或106次(NAND flash)。如果只是简单地将传统基于磁盘的文件系统如FAT或EXT2直接应用到flash上,则文件系统中某些数据(如EXT2的超级块、FAT的FAT表)所在flash区域的寿命将很快因为频繁更新而耗尽,而此时其他flash区域尚未得到充分使用,造成flash使用的严重不均衡。

因此flash FS的一个主要设计目标是保证各flash区域之间的损耗均衡,即在文件系统的整个使用过程中,尽可能保证flash的每个擦除块得到均衡使用,从而最大可能地延长flash的有效使用寿命。

2.2 损耗均衡与垃圾回收

损耗均衡操作和flash FS的垃圾回收操作的本质相同, — —260

3 UBIFS及其损耗均衡机制

为了降低文件系统的设计难度,更好地实现模块化和重

用性,UBIFS将整个文件系统的设计分为2个部分:文件系统模块和flash闪存相关的UBI(Unsorted Block Image)模块。UBI模块负责解决flash闪存特有的问题,如损耗均衡、坏块、

作者简介:韩春晓(1985-),男,硕士,主研方向:嵌入式系统; 陈香兰,博士研究生;李 曦,高级工程师、博士;龚育昌,教授、博士生导师

收稿日期:2008-10-26 E-mail:xlanchen@http://doc.xuehai.net

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