MEMS存儲設(shè)備管理技術(shù)

MEMS存儲設(shè)備管理技術(shù)

摘要：MEMS存儲設(shè)備相對于磁盤，在性能、可靠性和功耗等方面都具有優(yōu)勢。本文主要分析了MEMS存儲設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)對0s管理的影響，主要從請求調(diào)度算法、數(shù)據(jù)布局、設(shè)備故障管理進(jìn)行了探討和研究。關(guān)鍵詞：MEMS；OS管理；調(diào)度算法一引言MEMS存儲器是一種新型存儲器件，具有高密度、低功耗、非易失、多探針并行訪問等特點(diǎn)，相對于傳統(tǒng)磁盤具有明顯優(yōu)勢?？梢蕴钛a(bǔ)RAM和磁盤之間的性能差距，可在計算機(jī)系統(tǒng)中承擔(dān)多種角色，為新型高性能海量存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究帶來新思路和新方法。二MEMS存儲設(shè)備的請求調(diào)度算法磁盤的請求調(diào)度算法第一種是最簡單的、性能最差的先來先服務(wù)：第二種算法是循環(huán)查找。這種算法是按照LBN升序的方式進(jìn)行服務(wù)，也就是說當(dāng)所有請求的LBN都落后于當(dāng)前請求的LBN話，就從涉及到最小LBN的請求開始服務(wù)：第三種是最短尋址時間優(yōu)先，主要思想是選擇具有最小尋址延遲的請求，但是在實(shí)際應(yīng)用中卻很少使用。因?yàn)楹苌儆兄鳈C(jī)操作系統(tǒng)具有用計算實(shí)際尋址距離或者預(yù)測尋址時問的信息，考慮到磁盤LBN到物理位置的映射的關(guān)系，大部分的SSTF算法使用的是最近訪問的LBN和目標(biāo)LBN之間的距離作為訪問時間的近似，這種簡化對磁盤是有效的：第四種是最短定位時間優(yōu)先算法，選擇具有最小定位延遲的請求，對磁盤來說，SPTF算法與其它算法顯著的不同在于它需要考慮尋道時間和旋轉(zhuǎn)延遲。將四種調(diào)度算法應(yīng)用到Atalalok上，統(tǒng)計隨機(jī)負(fù)載在不同的請求到達(dá)頻率下Atlasl0k的響應(yīng)時間。FCFS的性能是四種調(diào)度算法中性能最差的，同時，F(xiàn)CFS的性能隨著負(fù)載請求的增加性能最快達(dá)到飽和。SSTFesLBN的性能比CLOOKLBN要好，SPTF的性能最好，而且SPTF性能達(dá)到飽和的速度最慢。前三種調(diào)度算法可以利用主機(jī)的軟件系統(tǒng)簡單有效的實(shí)現(xiàn)?？紤]到磁盤LBN到物理位置的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)這三種調(diào)度算法不需要詳細(xì)的設(shè)備信息，只需要根據(jù)請求的LBN號來選擇要服務(wù)的請求。SPTF算法通常是在磁盤驅(qū)動器的固件中實(shí)現(xiàn)，SPTF算法需要磁盤狀態(tài)的準(zhǔn)確信息、LBN到物理位置的映射信息、尋址時間和旋轉(zhuǎn)延遲的準(zhǔn)確預(yù)測信息等。MEMS存儲設(shè)各請求調(diào)度算法為了方便的將MEMS存儲設(shè)備應(yīng)用到計算機(jī)系統(tǒng)中，MEMS存儲設(shè)備利用與磁盤相同的接口。為了證明現(xiàn)有的磁盤請求調(diào)度算法同樣適用于MEMS存儲設(shè)備，將上節(jié)中四種磁盤的請求調(diào)度算法應(yīng)用到MEMS存儲設(shè)備上。多數(shù)的請求調(diào)度算法，如SSTFLBN和CLOOKLBN，只需要知道LBN的信息，將LBN之間的距離作為定位時間的估計。SPTF算法涉及到尋址時間和旋轉(zhuǎn)延遲。而MEMS存儲設(shè)備只存在x軸和Y軸方向的尋址，沒有旋轉(zhuǎn)延遲。與磁盤相同的是，尋址時間是一維的，接近一個線性的LBN空間。與磁盤不同的是，MEMS存儲設(shè)備在兩個方向的尋址是并行完成的，選擇較大的作為實(shí)際的尋址時間。由于x軸方向存在穩(wěn)定時間，x軸方向的尋址時間總是比Y軸大。如果Y軸的尋址時間比較大，SPTF的性能僅比SSTF略有優(yōu)勢。利用Disksim。將磁盤的調(diào)度算法應(yīng)用到MEMS存儲設(shè)備上，統(tǒng)計不同的請求到達(dá)頻率的隨機(jī)負(fù)載下的平均響應(yīng)時間。四種調(diào)度算法在MEMS存儲設(shè)備上具有和磁盤類似的性能：FCFS性能最差，SPTF性能最好。但是，F(xiàn)CFS和基于LBN的算法之問的差距比磁盤小。因?yàn)樵贛EMS存儲設(shè)備尋址時間在整個服務(wù)時間中占很大比例。CLOOKLBN和SSTFLBN性能差距要比磁盤小。三數(shù)據(jù)布局策略小粒度非順序訪問MEMS存儲設(shè)備數(shù)據(jù)訪問具有與磁盤類似的特性，短距離尋址比長距離尋址要快。與磁盤不同的是，由于彈簧的回復(fù)力的存在，使得不同位置上觸動器作用力的影響不同。彈簧作用力對每個tip的訪問區(qū)域不同位置的影響。彈簧的作用力隨著sled位移的增加而增大，對于短距離來說定位時間反而較長。因此，在考慮查找小粒度、常用的數(shù)據(jù)項(xiàng)的時候，除了考慮尋址距離，還要考慮sled距中心位置的距離。大粒度順序訪問MEMS存儲設(shè)備和磁盤的流傳輸速率相似：Atals10K的流傳輸速率是17，3-25，2MB／s，MEMS存儲設(shè)備的流傳輸速率為75，9MB／s。MEMS存儲設(shè)備的定位時間比磁盤低一個數(shù)量級，對MEMS存儲設(shè)備來說，定位時間對于大批量數(shù)據(jù)傳輸影響很小。例如：一個256KB的讀請求在X軸不同位置上的服務(wù)時間，在1250個柱面的不同請求之間的服務(wù)時間僅差10％。同時減少了大粒度、順序傳送的數(shù)據(jù)對局部性的需求。但是，對磁盤來說，尋址距離是影響尋址時間的重要因素。同樣，對一個256KB大小的請求，長距離尋址時間可以使整個服務(wù)時間增加1倍。雙向數(shù)據(jù)布局為充分利用MEMS存儲設(shè)備的訪問特性，引入了一種雙向布局策略。小數(shù)據(jù)存放在最中間的小區(qū)域中，大的、順序的流數(shù)據(jù)存放在外圍的小區(qū)域中。這種策略可以采用5X5的網(wǎng)格方式實(shí)現(xiàn)。在假設(shè)各個請求內(nèi)部不存在相關(guān)性的前提下，比較雙向布局、“organpipe”布局和一種優(yōu)化的磁盤布局的性能。在“organpipe”布局策略中，最經(jīng)常訪問的文件存放在磁盤最中間的磁道上，使用頻率稍差的文件存放在中間磁道的兩側(cè)，最不經(jīng)常使用的文件存放在靠近最內(nèi)部和最外部磁道上。這種布局策略對磁盤是優(yōu)化的，缺點(diǎn)是需要根據(jù)文件的使用頻率定期的移動文件，還需要維護(hù)文件的一些狀態(tài)來記錄文件的使用頻率。四MEMS存儲設(shè)備故障管理內(nèi)部故障磁盤常見的故障有兩種：可恢復(fù)故障和不可恢復(fù)故障。MEMS存儲設(shè)備也會出現(xiàn)類似的故障。但是，MEMS存儲設(shè)備可以采用多個探針來彌補(bǔ)組件故障，包括可能會導(dǎo)致設(shè)備不可用的故障。對MEMS存儲設(shè)備來說，有效的糾錯碼可以通過分布在多個探針上的數(shù)據(jù)計算得到。在G2模型中，每個512字節(jié)的數(shù)據(jù)塊和ECC碼分布在64個探針之問。Ecc碼包括一個垂直部分和一個水平部分。ECC碼水平部分可以從故障的扇區(qū)得到恢復(fù)，而垂直部分指出哪些扇區(qū)可以作為故障扇區(qū)對待，同時將大的錯誤轉(zhuǎn)化為扇區(qū)擦除操作。這個簡單的機(jī)制說明大部分的內(nèi)部故障是可以恢復(fù)的。像磁盤一樣，MEMS存儲設(shè)備也保留了一些的備用空間，用來存儲由于探針和介質(zhì)故障而無法保存在默認(rèn)位置的數(shù)據(jù)。MEMS存儲設(shè)備的多個探針可以在一個磁道上并行訪問數(shù)據(jù)，可以避免由于故障需要重新映射帶來的性能和預(yù)測開銷。而且，通過在每個磁道設(shè)置一個或者多個備用探針，不可讀取的數(shù)據(jù)被重新映射到空閑探針相同的扇區(qū)。設(shè)備故障MEMS存儲設(shè)備也很容易受到不可恢復(fù)的故障影響：外部機(jī)械或者靜電強(qiáng)大的作用力能夠損壞觸動器的集電刷或者折斷彈簧，破壞介質(zhì)表面，損壞設(shè)備的電子裝置或者破壞數(shù)據(jù)通道。如果出現(xiàn)這些故障，可以采用與磁盤一樣的方式來處理。例如，采用設(shè)備內(nèi)部的冗余和周期性的備份來處理設(shè)備故障。MEMS存儲設(shè)備的機(jī)械特性在一些容錯機(jī)制中更適合處理讀一更新一寫操作。一般的磁盤需要轉(zhuǎn)完整的一圈才能到達(dá)相同的扇區(qū)，而MEMS存儲設(shè)備可以快速的反轉(zhuǎn)方向，大大減少了讀一更新一寫的延遲。故障恢復(fù)同磁盤一樣，文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要維護(hù)存儲在MEMS存儲設(shè)備上對象內(nèi)部的一致性。雖然采用同步寫操作對性能具有一定影響，但是，MEMS存儲設(shè)備的低服務(wù)時間可以減少這種損失。另外，MEMS存儲設(shè)備