低功耗策略在基于Flash存储系统中的设计与实现

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随着消费类电子的发展,消费者对便携式电子产品的存储容量要求不断增长,NAND Flash具有体积小、速度快及抗震动等优异特性,使其成为便携式产品首选的存储介质。另一方面,对于大多数手持嵌入式设备来说,容量有限的电池仍然是唯一的能量来源,所以低功耗设计是嵌入式系统设计的重要课题。因而如何降低基于NAND Flash存储系统的功耗也成为重要的研究对象。 本文首先介绍了NAND Flash技术原理和应用特点,随后说明了系统软硬件平台和Windows CE下存储系统管理体系结构,以及NAND Flash驱动程序的结构。之后重点阐述了当前NANO Flash存储系统低功耗的主要研究方法和策略,并分析和比较了它们的优缺点。在对Windows CE中的FAT文件系统实验分析之后,得出了FAT文件系统中FAT扇区、目录扇区和数据扇区这三类逻辑扇区数据更新次数存在巨大差异的结论,该差异性导致了擦除操作功耗和读写操作功耗的增加。为了降低擦除操作的功耗,提出了分类缓冲方案,它通过将更新次数高的逻辑扇区存放于缓冲区,使其每次更新操作都在缓冲区中进行,减少了垃圾块的产生和擦除垃圾块的次数,降低擦除垃圾块的功耗;为了降低读写操作的功耗,提出了分类存储方案,它通过以块为单位集中存储同类型逻辑扇区数据,降低垃圾块中有效数据的比率,减少了读写有效数据的次数,降低读写有效数据的功耗。本论文选择了Intel XScale PXA255开发板为硬件平台,微软WinCE4.2操作系统为软件平台,在此系统平台上设计和实现了分类缓冲方案和分类存储方案,构建了低功耗的NAND Flash存储系统。 最后的功耗测试和性能测试结果表明,本论文提出的低功耗方案在没有损失系统性能的情况下,对于大部分文件操作负载,都可以有效地降低基于NAND Flash存储系统的功耗,平均降低功耗幅度为25.2%。特别对于小文件频繁读写的应用场合,低功耗方案有更好的降低功耗效果。
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