一文詳解MEMS存儲設(shè)備的請求調(diào)度算法

　　MEMS也即微機電系統(tǒng)，電子專業(yè)的朋友對MEMS都具備一定認(rèn)識。在往期文章中，小編對MEMS交換、MEMS封裝等有所介紹。為增進大家對MEMS的了解程度，本文中小編將對MEMS存儲設(shè)備的請求調(diào)度算法以及數(shù)據(jù)布局策略予以介紹。

　　引言

　　MEMS（MicroElectromechanicalSystem，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(dān)多種角色，為新型高性能海量存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究帶來新思路和新方法。

　　MEMS存儲設(shè)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(wù)（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(wù)，也就是說當(dāng)所有請求的LBN都落后于當(dāng)前請求的LBN話，就從涉及到最小LBN的請求開始服務(wù)：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(yīng)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(yù)測尋址時問的信息，考慮到磁盤LBN到物理位置的映射的關(guān)系，大部分的SSTF算法使用的是最近訪問的LBN和目標(biāo)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(zhuǎn)延遲。

　　將四種調(diào)度算法應(yīng)用到Atalalok上，統(tǒng)計隨機負(fù)載在不同的請求到達(dá)頻率下Atlasl0k的響應(yīng)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(fù)載請求的增加性能最快達(dá)到飽和。SSTFesLBN的性能比CLOOKLBN要好，SPTF的性能最好，而且SPTF性能達(dá)到飽和的速度最慢。

　　前三種調(diào)度算法（（FCFSCLOOKLBN和SSTFesLBN）可以利用主機的軟件系統(tǒng)簡單有效的實現(xiàn)?？紤]到磁盤LBN到物理位置的映射關(guān)系，實現(xiàn)這三種調(diào)度算法不需要詳細(xì)的設(shè)備信息，只需要根據(jù)請求的LBN號來選擇要服務(wù)的請求。SPTF算法通常是在磁盤驅(qū)動器的固件中實現(xiàn)，SPTF算法需要磁盤狀態(tài)的準(zhǔn)確信息、LBN到物理位置的映射信息、尋址時間和旋轉(zhuǎn)延遲的準(zhǔn)確預(yù)測信息等。

　?。ǘ㎝EMS存儲設(shè)各請求調(diào)度算法

　　為了方便的將MEMS存儲設(shè)備應(yīng)用到計算機系統(tǒng)中，MEMS存儲設(shè)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(shè)備，將上節(jié)中四種磁盤的請求調(diào)度算法應(yīng)用到MEMS存儲設(shè)備上。多數(shù)的請求調(diào)度算法，如SSTFLBN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(zhuǎn)延遲。而MEMS存儲設(shè)備只存在x軸和Y軸方向的尋址，沒有旋轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)用到MEMS存儲設(shè)備上，統(tǒng)計不同的請求到達(dá)頻率的隨機負(fù)載下的平均響應(yīng)時間。

　　四種調(diào)度算法在MEMS存儲設(shè)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(shè)備尋址時間在整個服務(wù)時間中占很大比例。CLOOKLBN和SSTFLBN性能差距要比磁盤小。

　　三數(shù)據(jù)布局策略

　?。ㄒ唬┬×６确琼樞蛟L問

　　MEMS存儲設(shè)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(fù)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。

　?。ǘ┐罅６软樞蛟L問

　　MEMS存儲設(shè)備和磁盤的流傳輸速率相似：Atals10K的流傳輸速率是17，3-25，2MB/s，MEMS存儲設(shè)備的流傳輸速率為75，9MB/s。MEMS存儲設(shè)備的定位時間比磁盤低一個數(shù)量級，對MEMS存儲設(shè)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(wù)時間，在1250個柱面的不同請求之間的服務(wù)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(wù)時間增加1倍。

　?。ㄈ╇p向數(shù)據(jù)布局

　　為充分利用MEMS存儲設(shè)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(shè)各個請求內(nèi)部不存在相關(guān)性的前提下，比較雙向布局、“organpipe”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(cè)，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。
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