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存储子系统能效计算研究

作　者: 窦少彬
导　师: 杨良怀
学　校: 浙江工业大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 能效计算存储系统闪存磁盘块文件
分类号: TP333
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 9次
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内容摘要

在计算机系统中,存储子系统的能耗占据着相当大的比重,降低存储子系统的能耗对于降低整个系统的能耗具有十分重要的意义;同时,存储系统的性能也是整个计算机系统性能的瓶颈之一。因此,存储子系统的能效成为当前值得重视的研究课题。在存储子系统节能方面,已有了一系列的研究,包括各种节能措施、策略和算法等。但已有的工作都是单纯从节能的角度来进行,未能结合性能做综合性的研究。当前新型存储介质--固态盘的出现也为提高系统能效提供了的机会。鉴于此,本文提出了结合固态盘的存储子系统节能算法,分别以磁盘块和文件为粒度进行调度,在降低能耗的同时,也大幅提高了存储系统的性能。本研究的主要贡献如下:1.使用固态盘作为缓存,与硬盘组合形成“异构盘”,以磁盘数据块的方式进行调度,达到改善系统能效的目的。其主要思想是,通过把访问的“热块”缓存进固态盘,从而创造出足够的磁盘空闲时间使之关闭以减少能耗。此外,籍由固态盘的性能优势,“异构盘”还可以改进存储系统的性能。为了提高缓存命中率,本文提出了“衰减-增强”替换算法。用存储追踪(traces)开展的一系列实验,表明所提方案在两类追踪实验中,读、写速率分别约提高了265%和25%,能耗平均约减少了28%左右。2.在以整个文件为访问单位的应用场景下,通过把固态盘和磁盘结合起来,把常用的文件迁移到固态盘以延长硬盘处于空闲状态的时间,进而关闭磁盘来达到节能目的。为了把“热文件”缓存到固态盘,本文首先使用“指数平均法”计算文件的访问频率,并据此对文件进行优化配置;其次,通过对磁盘的工作模式建立数学模型,计算磁盘关闭时间临界值,同时根据历史数据使用指数平均法预测磁盘的下一个工作状态,从而使磁盘在各种工作状态之间进行有效合理的切换,减少磁盘子系统的能耗。实验表明,所提方案在有效提升系统性能,平均访问时延比原来约减少了75%。同时,降低存储系统能耗达40%左右。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-12
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 本文的主要内容及创新之处  10-12
第2章相关工作及研究现状  12-22
  2.1 概述  12
  2.2 单存储设备节能算法  12-16
    2.2.1 开关状态转换  12-13
    2.2.2 多状态转换  13-15
    2.2.3 使用动态电压调整技术  15-16
    2.2.4 使用多速磁盘技术  16
  2.3 分布式存储或磁盘阵列节能措施  16-17
  2.4 结合闪存的节能措施  17-22
第3章基于磁盘块粒度的节能调度算法  22-38
  3.1 算法概述  22
  3.2 异构盘存储系统结构  22-23
  3.3 异构盘的映射管理  23-25
  3.4 异构盘的缓存管理  25-28
  3.5 异构盘的电源管理  28
  3.6 异构盘策略仿真实验  28-37
  3.7 异构盘方案总体评价  37-38
第4章基于文件粒度的节能调度算法  38-57
  4.1 基于文件粒度的节能算法概述  38
  4.2 混合盘存储系统体系结构  38-39
  4.3 混合盘的节能调度机制  39-47
    4.3.1 文件访问频度统计  39-41
    4.3.2 组合盘节能调度算法  41-44
    4.3.3 磁盘工作状态的转换  44-47
  4.4 混合盘的仿真实验  47-57
    4.4.1 实验数据  47-48
    4.4.2 磁盘能耗模型  48-49
    4.4.3 人工数据下实验结果  49-51
    4.4.4 实际数据下的实验结果  51-53
    4.4.5 频度统计中不同D 的值对能耗的影响  53
    4.4.6 磁盘空闲时长不同预测算法对能耗的影响  53-54
    4.4.7 预测超时中不同r 的值对结果的影响  54-55
    4.4.8 平均访问时延  55-56
    4.4.9 CFCB 方案小结  56-57
第5章结论与展望  57-59
  5.1 结论  57-58
  5.2 展望  58-59
参考文献  59-64
致谢  64-65
攻读学位期间参加的科研项目和成果  65

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