探析大容量NAND闪存数据库存储管理技术

摘 要：磁盘一直是非常理想的电子存储介质，但由于其自身的机械局限性，在提高I/O速度方面非常困难，由此导致低速磁盘、高速处理器和总线之间的冲突日益加剧，可以说，这在很大程度上阻碍了计算机技术更快更好的发展。随后问世的大容量NAND闪存数据库存储管理技术有效解决了困扰人们多年的棘手问题。本文主要对大容量NAND闪存数据库存储管理技术的概念、特征及技术原理进行了简要分析。

关键词：大容量NAND；闪存数据库；存储管理技术

中图分类号：TP333

1 大容量NAND闪存概念

大容量NAND闪存具有得天独厚的技术优势，它能实现EPROM高密度和EEPROM结构变通性的优势结合。EPROM凭借一些特殊的技术手段可以将内容擦去后再加以重新改写；而NAND闪存则是将存储空间划分为若干个可以擦除的最小实体，当擦除某一个区块的内容时，用“1”来标识该区块的位置，同时用“FFh”来代表该区块内字节。

在NAND闪存中，编程程序将已经擦除的最小实置由“1”变成了“0”，字节是其最小实体。有些NOR闪存可同时执行关于读写的操作；NAND闪存虽然不能保证读写操作同时执行，但是多亏其映射方法的存在实现了读写操作的同时进行，实现了基本输入输出系统由低速向高速加载的过程，故而在PC中出现频率较高。按照不同的结构划分NAND闪存数据库存数文件系统有两类：一是基于块设备的常规文件系统；二是日志结构文件系统。

基于块设备的常规文件系统在磁盘存储器中出现频率较高，其中较为典型的是文档分配表和GNU/Linux系统的标准文件系统两种。文档分配表要想在不是块设备的闪存设备上运行，则需借助闪存转换层为中间层，将闪存设备模拟为类似磁盘的块设备，才可以实现成功应用文档分配表这一目的。

日志结构文件系统身为闪存设备专属，数据结点是其基本组成单位。当日志结构文件系统中需要更新或增加新数据的时候，新的数据结点并没有覆盖旧的数据结点，而是写在了空白空间，并用标志位将旧的数据结点标志位过期无效，即时有突况发生，也不会破坏闪存数据库存储文件系统的完整性。若干擦除区块的循环利用，也有利于平衡存储区域间的资源消耗。在日志结构文件系统进行更新的过程中，因其不会将旧的数据节点覆盖且擦除操作省时省力，凭借数据写入速度快这一优势而广泛应用于NAND闪存设备中。

2 大容量NAND闪存的特点

与NOR闪存不同，大容量NAND闪存之所以效率较高是因为所有单元内都没有金属触点，所以大容量NAND闪存的单元

3 大容量NAND闪存与NOR的不同

在便携式设备中，非易失性闪存存储介质之所以应用广泛与其与种不同的的特点有关：读写速度快、功能损耗低以及抗震性能好等等，NOR型闪存和NAND型闪存是较为常见的两种非易失性闪存存储介质。NOR型闪存的优点是除了能实现字节执行编程操作之外，还能实现随机存取。其随机存取能力的强弱对代码执行的快慢有直接影响，美中不足之处，则是随机存取的速度不尽如人意，进而影响其性能的充分发挥。NAND型闪存则具有编程便捷、擦除方便、性价比高、存储单元密度大、适合大容量存储等诸多优点，所以在文件的存储中应用的更多一些。为便于数据信息的导入导出，大部分的处理器都有NAND接口。另外，需要强调的一点是，在进行编程或擦除的过程中，NAND型闪存支持>5Mbps的连续读写操作且耗时

4 大容量NAND闪存的转换层技术

4.1 过去的闪存转换层

非易失性闪存存储介质刚问世时，NOR型闪存占据市场的半壁江山，设计出的闪存转换层多为其服务也可以理解。随着科学技术的不断发展，NAND型闪存的问世则打破了NOR型闪存独领的这种局面，闪存转换层页模式优化是种必然现象。类型不一的闪存转换层作为中间层，将闪存设备模拟为类似磁盘的块设备，才可以实现管理并应用现代闪存这一目的。值得注意的是，闪存容量的增加会产生蝴蝶效应，导致单闪存芯片内的页面数量增加，由逻辑地址向物理地址转换的映射表项数增加，映射表中的字节数据节点增加，最终使内存存储效果不佳。因此，新型的闪存转换层的出现正是为了有效解决上述问题。

4.2 新型的闪存转换层

NAND Flash转换层的基本管理单元是块，传统的闪存转换层的基本管理单元则是页面，比较后得出，前者的内存消耗远远低于后者。NAND Flash转换层的工作原理是以块为管理单元，各逻辑块与物理块一一对应，在成为主块后，逻辑块内的页面和物理块内的页面通过映射方法实现逐一对应。若转换层收到了上一层的文件系统关于某一逻辑块内的页面要进行更新或添加的操作请求，NAND型闪存设备无需重复更新，NAND Flash转换层会给该页面的逻辑主块分配一个替换块，替换块便可轻松实现更新页面的存储功能。假如替换块内的空间不足，那么系统便会开启垃圾回收模式：主块与替换块内的有效页面被复制到新的空闲擦除块里，之后对剩下的进行擦除操作，重新分配新的空闲擦除块；垃圾回收模式开启时，要是空闲擦除块不足，系统会自动将主块与替换块内的空白页面合并为新的空闲擦除块。

闪存转换层的提出是为了降低需要进行更新或添加操作时的合并次数并避免系统开效过大，闪存转换层策略可以有效执行日志块的各种更新或添加等操作的请求。不同于以块为基本管理单元的NAND Flash转换层，新型的闪存转换层的的管理方式是将块和页面合二为一。用块管理保存数据信息的数据块，用页面管理更新或添加频繁的日志块，对不同的块采取不同的处理方式。

5 结语

磁盘一直是非常理想的电子存储介质。随着科学技术的不断发展，许多领域对数据存储需求增加的同时要求也在提高。比方说，在发展欣欣向荣的航空航天领域，探测数据的保存至关重要，然而令科学家们头疼的是由于磁盘自身的机械局限性在提高I/O速度方面非常困难，因此在航天存储平台中，一般较少使用磁盘这一种存储介质。可以说，磁盘的存在很大程度上阻碍了航空航天技术的进一步发展。因此，能有效解决困扰人们多年棘手问题的大容量NAND闪存数据库存储管理技术的普遍应用是大势所趋。

参考文献：

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作者单位：东北财经大学 图书馆，辽宁大连 116025