摘要: 与传统的情况相比，当前的消费电子和嵌入式设备使用更大量的Flash作为非易失性存储介质。在两种Flash类型--NAND和NOR中如何做出合适的选择是非常重要的。在嵌入式设备中，例如用于PDA和蜂窝电话中，NOR型Flash通常用于存储相对少量的可执行代码。NOR型Flash由于具备可靠性高，读取速度快和可随机访问的特点，所以适合用于存储代码。由于代码可以直接读取执行，NOR型Flash较理想用于存储固件，存储启动代码、操作系统和其它的一些不需要频繁改变的数据。NAND型Flash是首选的大数据存储量的Flash，例如用于USB Flash驱动器，数码相机， MP3播放器。较高密度，较低价格，较快的写入和擦除速度和较长擦写寿命使得NAND特别适合于消费类多媒体应用场合。在这些应用中，大量的序列化数据需要不断的迅速加载到内存中并更新旧的数据。此外，NAND型Flash与NOR型Flash和紧凑型Flash相比，功耗大约可分别降低75% 和50%。正因为此，移动设备多倾向于利用NAND型Flash而非NOR型Flash或者硬盘。然而，NAND型Flash的主要缺点是随机访问时间较长，因此，我们提出了一种新的NAND型Flash封装来克服这一主要缺点。在这项研究内容中，我们的目标是设计一个结构简单，功耗低，而且高性能的NAND型Flash存储系统来支持高速读写和提高数据时间和空间局部性的利用率。时间局部性源于最近访问过的数据将会以较高的概率在不远的将来再次被访问。 空间的局部性源于在空间上相邻的数据总是在倾向于在被访问时间上也相邻。然而，由于分别支持两种局部性的硬件本身在设计上就存在相互矛盾的因素，所以大多数Cache或缓存系统倾向于只着重利用这两种局部性中的某一种。常规的NAND型Flash封装在封装内利用一个单页的缓存，只能利用空间局部性，而不能很好的利用时间的局部性。我们的目标是同时利用这两种局部性，本文所提出的方法是设计一个双Cache来针对应用程序呈现的不同层次的时间和空间局部性，并且利用一个可启动动态变化获取数据大小的数据获取机制。采用这种新型的NAND型Flash封装可以达到上述设计目标。为了确保低功耗和实时系统中的高速访问，访问Flash的次数必需尽可能的少，特别是针对随机读写操作，因为这些随机操作具有较大的功耗和较长的执行时间。如果一个手持设备运行不同的实时性应用程序，例如播放电影、语音，播放的时间可能会因为Flash的随机访问次数的不同而不能保证保持恒定，并且可能缩短电池的续航时间。因此，通过访问Cache而非Flash存储单元不仅可以减少对Flash随机读写的次数，而且可以确保实现高速访问、低功耗和较高的性能增益。对于呈现明显时间和空间局部性特征的数据，我们利用支持不同取数大小的空间Cache。为了减少片上Cache的冲突缺失率和对Flash的写操作次数，我们用一个时间Cache来存储来自于CPU的被替换的数据。这种新型的NAND型Flash系统由两部分组成：一个NAND型Flash模块和一个双Cache模块。其中NAND型Flash模块与普通的NAND型Flash结构相同，包含：一个NAND型缓存单元的集合和一个512字节的读/写寄存器。双高数缓存组织成具有4 条Line大小的片上时间Cache，例如一个32字节的Line大小， 和一个页大小为128字节的空间Cache。这里空间Cache的页大小为多个一级Cache line的大小，例如在本文中我们采用的页大小为4倍一级Cache line大小。时间和空间Cache的结构与传统的全相联Cache结构类似。仿真结果显示本文提出的方案可以减少70% 的Flash访问次数。这个值反映出我们还存在很大的潜力达到低功耗和高性能的目标。而且，利用该方案，只需增加3K字节的Cache空间即可减少对Flash 78%的写操作和70% 的读操作。最后，模拟结果表明，与普通的NAND型Flash相比，这种带双Cache的NAND型Flash封装的系统能减少70%的缺失率和67%的平均访问时间。此外，对于给定的Cache大小（例如，3KB），该系统与通常8倍于其大小的直接映射缓存（例，如32KB）和2倍于其大小的全相联Cache（例如8KB）相比，在平均缺失率和平均访问时间上表现出更优越的性能。