面向非易失性内存和块设备混合介质的文件系统设计与实现

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文件系统是计算机系统存放数据的基础模块，文件访问的速度对计算机系统的性能至关重要。面向块存储设备的传统文件系统的性能受限于慢速I/O流程。近年出现的新型非易失性内存具有可字节寻址、纳秒级别的读写延迟、掉电不丢失数据等优点，是一种高性能的持久化存储设备。当系统中同时存在非易失性内存和块存储设备时，如何管理多种存储介质并且在不同的介质中存放文件数据，以发挥非易失性内存读写速度快和块存储设备存储容量大的特点是具有思考价值的问题。
　　本文设计一种面向非易失性内存和块存储设备的混合介质文件系统。该文件系统可以实现对非易失性内存的数据进行高速访问，用块存储设备扩充文件系统存储容量，同时允许单个文件数据分散存储在不同的存储设备中。为此，本文进行了如下的研究：
　　1）高速的文件访问流程。本文提出的混合介质文件系统采用页表结构组织文件数据，通过连续的虚拟地址对文件进行访问。文件系统利用现有硬件，内存控制单元实现文件数据存储位置的判断与转换。中央处理器可以通过虚拟地址直接对非易失性内存进行读写操作，通过缺页异常的方式，对块存储设备上的数据进行处理。
　　2）高效的物理空间管理机制。混合介质文件系统用不同的方式管理非易失性内存和块存储设备的空闲空间，其中针对块设备空间管理提出名为资源池的全新管理方式。
　　3）非易失性内存和块存储设备直接的数据交换的机制。本文从文件和数据块两个层级上考虑对换出数据页的选择，并提出缓存非易失性内存页与块存储设备逻辑块的映射关系，加速数据交换。
　　4）针对非一致性内存访问架构的优化。提出根据文件对程序进程所使用的中央处理器进行限制的优化方式。
　　最后，针对文件系统设计目标，设计实验对文章提出的混合文件系统进行性能测试。实验结果显示：本文提出的混合介质文件系统在访问非易失性内存上的文件时，最高能够达到50G/s的读带宽和30G/s的写带宽；对块存储设备上的数据访问能够达到3G/s的读写带宽；在测试给定的数据混合存储条件下，能够具有20G/s的读带宽。

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作者
陈骏;
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作者单位

重庆大学;

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授予单位重庆大学;
学科计算机科学与技术
授予学位硕士
导师姓名沙行勉;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类内存贮器（主存贮器）总论;
关键词
非易失性内存; 块存储设备; 混合介质; 文件系统; 页表结构;

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