淺談MEMS存儲設備的管理技術

摘要：MEMS存儲設備相對于磁盤，在性能、可靠性和功耗等方面都具有優(yōu)勢。本文主要分析了MEMS存儲設備的物理結構對0s管理的影響，主要從請求調(diào)度算法、數(shù)據(jù)布局、設備故障管理進行了探討和研究。

關鍵詞：MEMS；OS管理；調(diào)度算法

一　引言

MEMS(Micro ElectromechanicalSystem，微機電系統(tǒng))存儲器是一種新型存儲器件，具有高密度、低功耗、非易失、多探針并行訪問等特點，相對于傳統(tǒng)磁盤具有明顯優(yōu)勢?？梢蕴钛aRAM和磁盤之間的性能差距，可在計算機系統(tǒng)中承擔多種角色，為新型高性能海量存儲系統(tǒng)結構研究帶來新思路和新方法。

二　MEMS存儲設備的請求調(diào)度算法

(一)磁盤的請求調(diào)度算法

第一種是最簡單的、性能最差的先來先服務(FCFS)：第二種算法是循環(huán)查找(CLOOKLBN)。這種算法是按照LBN升序的方式進行服務，也就是說當所有請求的LBN都落后于當前請求的LBN話，就從涉及到最小LBN的請求開始服務：第三種是最短尋址時間優(yōu)先(sSTF—BN)，主要思想是選擇具有最小尋址延遲的請求，但是在實際應用中卻很少使用。因為很少有主機操作系統(tǒng)具有用計算實際尋址距離或者預測尋址時問的信息，考慮到磁盤LBN到物理位置的映射的關系，大部分的SSTF算法使用的是最近訪問的LBN和目標LBN之間的距離作為訪問時間的近似，這種簡化對磁盤是有效的：第四種是最短定位時間優(yōu)先算法(SPTF)，選擇具有最小定位延遲的請求，對磁盤來說，SPTF算法與其它算法顯著的不同在于它需要考慮尋道時間和旋轉延遲。

將四種調(diào)度算法應用到Atalalok上，統(tǒng)計隨機負載在不同的請求到達頻率下Atlas l0k的響應時間。FCFS的性能是四種調(diào)度算法中性能最差的，同時，F(xiàn)CFS的性能隨著負載請求的增加性能最快達到飽和。SSTFes LBN的性能比CLOOK LBN要好，SPTF的性能最好，而且SPTF性能達到飽和的速度最慢。

前三種調(diào)度算法((FCFS CLOOK LBN和SSTFes LBN)可以利用主機的軟件系統(tǒng)簡單有效的實現(xiàn)。考慮到磁盤LBN到物理位置的映射關系，實現(xiàn)這三種調(diào)度算法不需要詳細的設備信息，只需要根據(jù)請求的LBN號來選擇要服務的請求。SPTF算法通常是在磁盤驅動器的固件中實現(xiàn)，SPTF算法需要磁盤狀態(tài)的準確信息、LBN到物理位置的映射信息、尋址時間和旋轉延遲的準確預測信息等。

(二)MEMS存儲設各請求調(diào)度算法

為了方便的將MEMS存儲設備應用到計算機系統(tǒng)中，MEMS存儲設備利用與磁盤相同的接口。為了證明現(xiàn)有的磁盤請求調(diào)度算法同樣適用于MEMS存儲設備，將上節(jié)中四種磁盤的請求調(diào)度算法應用到MEMS存儲設備上。多數(shù)的請求調(diào)度算法，如SSTF LBN和CLOOKLBN，只需要知道LBN的信息，將LBN之間的距離作為定位時間的估計。SPTF算法涉及到尋址時間和旋轉延遲。而MEMS存儲設備只存在x軸和Y軸方向的尋址，沒有旋轉延遲。與磁盤相同的是，尋址時間是一維的，接近一個線性的LBN空間。與磁盤不同的是，MEMS存儲設備在兩個方向的尋址是并行完成的，選擇較大的作為實際的尋址時間。由于x軸方向存在穩(wěn)定時間，x軸方向的尋址時間總是比Y軸大。如果Y軸的尋址時間比較大，SPTF的性能僅比SSTF略有優(yōu)勢。利用Disksim。將磁盤的調(diào)度算法應用到MEMS存儲設備上，統(tǒng)計不同的請求到達頻率的隨機負載下的平均響應時間。

四種調(diào)度算法在MEMS存儲設備上具有和磁盤類似的性能：FCFS性能最差，SPTF性能最好。但是，F(xiàn)CFS和基于LBN的算法之問的差距比磁盤小。因為在MEMS存儲設備尋址時間在整個服務時間中占很大比例。CLOOK LBN和SSTF LBN性能差距要比磁盤小。

三　數(shù)據(jù)布局策略

(一)小粒度非順序訪問

MEMS存儲設備數(shù)據(jù)訪問具有與磁盤類似的特性，短距離尋址比長距離尋址要快。與磁盤不同的是，由于彈簧的回復力的存在，使得不同位置上觸動器作用力的影響不同。彈簧作用力對每個tip的訪問區(qū)域不同位置的影響。彈簧的作用力隨著sled位移的增加而增大，對于短距離來說定位時間反而較長。因此，在考慮查找小粒度、常用的數(shù)據(jù)項的時候，除了考慮尋址距離，還要考慮sled距中心位置的距離。

(二)大粒度順序訪問

MEMS存儲設備和磁盤的流傳輸速率相似：Atals 10K的流傳輸速率是17，3-25，2MB／s，MEMS存儲設備的流傳輸速率為75，9MB／s。MEMS存儲設備的定位時間比磁盤低一個數(shù)量級，對MEMS存儲設備來說，定位時間對于大批量數(shù)據(jù)傳輸影響很小。例如：一個256KB的讀請求在X軸不同位置上的服務時間，在1250個柱面的不同請求之間的服務時間僅差10％。同時減少了大粒度、順序傳送的數(shù)據(jù)對局部性的需求。但是，對磁盤來說，尋址距離是影響尋址時間的重要因素。同樣，對一個256KB大小的請求，長距離尋址時間可以使整個服務時間增加1倍。

(三)雙向數(shù)據(jù)布局

為充分利用MEMS存儲設備的訪問特性，引入了一種雙向布局策略。小數(shù)據(jù)存放在最中間的小區(qū)域中，大的、順序的流數(shù)據(jù)存放在外圍的小區(qū)域中。這種策略可以采用5X5的網(wǎng)格方式實現(xiàn)。

在假設各個請求內(nèi)部不存在相關性的前提下，比較雙向布局、“organ pipe”布局和一種優(yōu)化的磁盤布局的性能。在“organpipe”布局策略中，最經(jīng)常訪問的文件存放在磁盤最中間的磁道上，使用頻率稍差的文件存放在中間磁道的兩側，最不經(jīng)常使用的文件存放在靠近最內(nèi)部和最外部磁道上。這種布局策略對磁盤是優(yōu)化的，缺點是需要根據(jù)文件的使用頻率定期的移動文件，還需要維護文件的一些狀態(tài)來記錄文件的使用頻率。

四　MEMS存儲設備故障管理

(一)內(nèi)部故障

磁盤常見的故障有兩種：可恢復故障和不可恢復故障。MEMS存儲設備也會出現(xiàn)類似的故障。但是，MEMS存儲設備可以采用多個探針來彌補組件故障，包括可能會導致設備不可用的故障。

對MEMS存儲設備來說，有效的糾錯碼可以通過分布在多個探針上的數(shù)據(jù)計算得到。在G2模型中，每個512字節(jié)的數(shù)據(jù)塊和ECC碼分布在64個探針之問。Ecc碼包括一個垂直部分和一個水平部分。ECC碼水平部分可以從故障的扇區(qū)得到恢復，而垂直部分指出哪些扇區(qū)可以作為故障扇區(qū)對待，同時將大的錯誤轉化為扇區(qū)擦除操作。這個簡單的機制說明大部分的內(nèi)部故障是可以恢復的。

像磁盤一樣，MEMS存儲設備也保留了一些的備用空間(spare space)，用來存儲由于探針和介質故障而無法保存在默認位置的數(shù)據(jù)。MEMS存儲設備的多個探針可以在一個磁道上并行訪問數(shù)據(jù)，可以避免由于故障需要重新映射帶來的性能和預測開銷。而且，通過在每個磁道設置一個或者多個備用探針(spare tips)，不可讀取的數(shù)據(jù)被重新映射到空閑探針相同的扇區(qū)。

(二)設備故障

MEMS存儲設備也很容易受到不可恢復的故障影響：外部機械或者靜電強大的作用力能夠損壞觸動器的集電刷或者折斷彈簧，破壞介質表面，損壞設備的電子裝置或者破壞數(shù)據(jù)通道。如果出現(xiàn)這些故障，可以采用與磁盤一樣的方式來處理。例如，采用設備內(nèi)部的冗余和周期性的備份來處理設備故障。

MEMS存儲設備的機械特性在一些容錯機制中更適合處理讀一更新一寫(read-modify-write)操作。一般的磁盤需要轉完整的一圈才能到達相同的扇區(qū)，而MEMS存儲設備可以快速的反轉方向，大大減少了讀一更新一寫的延遲。

(三)故障恢復

同磁盤一樣，文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要維護存儲在MEMS存儲設備上對象內(nèi)部的一致性。雖然采用同步寫操作對性能具有一定影響，但是，MEMS存儲設備的低服務時間可以減少這種損失。另外，MEMS存儲設備沒有轉軸啟動的時間，因此設備啟動速度快，大概只需要0.Sms。即使是高端磁盤，也需要15-25s的時間來啟動轉軸和完成初始化。同時，因為不需要啟動轉軸，就不需要考慮啟動轉軸需要的功耗，也就沒必要采取任何減少功耗的技術，這些都使得所有的MEMS存儲設備可以同時啟動，系統(tǒng)啟動的時間從秒級降到毫秒級。

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