1.1研究背景与意义

计算机技术发展到现在，CPU和主存等部件的性能和集成度都基本按照摩尔定律每18个月翻一倍，但是外设磁盘的性能增长却十分缓慢，达不到相应的要求。这主要是因为机械磁盘访问数据时需要磁头的旋转、定位，这种访问方式导致了数据传输速率与主存相差太大。基于这种现状，固态盘(Solid State Disk，SSD)的出现满足了系统对磁盘性能的要求。固态盘由控制器和固态存储单元组成，与传统的磁盘相比，由于其内部没有机械运动部件，存取速度可以达到磁盘的30倍，这在很大程度上改善I/O性能，是未来外部设备存储器发展的趋势。

在固态盘的使用过程当中，由于其异地更新策略，无效的页、块会越来越多，就必须触发垃圾回收，将无效的数据擦除，使其可以重新存放数据。但是现有的FTL算法和垃圾回收策略并不一定是最优秀的，当固态存储设备中的空闲页数目降到一个较低值时，若有批量的写请求到达，系统需要为这些写请求分配空闲页，有可能在短时间内触发大量的垃圾回收请求，导致垃圾回收的集中爆发。垃圾回收过程中可能涉及到多次读写和至少一次擦除操作，它的开销是很大的，SSD的性能将受到很大的影响，后续请求也会经历很大的延迟，系统响应时间增加，稳定性也会下降。因此，垃圾回收算法是影响SSD性能的重要因素之一。

1.2国内外研究现状分析（文献查阅报告）

通过查阅文献资料，我基本了解了目前国内外主要的垃圾回收算法 。每一个垃圾回收算法都必须考虑“何时触发垃圾回收操作”，对于何时产生垃圾回收操作，现有的垃圾回收算法通常有两种方法：

（1）设置一个确定的阈值，当固态盘中的空闲页数目少于这一阈值时，就产生垃圾回收。该方法的优点是：当固态盘中有足够的空闲空间时是不会触发垃圾回收操作，这时其读写性能较好。而当垃圾回收被触发，说明固态盘中的空闲页比例较低，无效页的比例较高，这样对被选中块进行操作时，迁移的有效数据就较少，有利于提高垃圾回收的效率。这种方法也有明显的缺点：当固态盘中的空闲页数目降到一个接近阈值是，这时有大量的写请求到达，系统要分配空闲页，这样就很可能会产生大量的垃圾回收请求，导致写请求的延时，严重降低系统的性能。

（2）根据固态盘的参数，如擦除次数、页的状态等，在固态盘空闲时决定是否执行垃圾回收。该方法的优点是：在系统空闲时进行垃圾回收操作，可以保证读写操作的及时响应，并且考虑状态，有利于得到较高的回收效率。它的缺点是：不能保证固态盘中有足够的空闲空间，大量的写请求到来，而一直不进行垃圾回收操作，这就可能导致空闲页的大幅度下降，不能及时响应每个写请求。同时，这也要求能准确预测请求的到来时间，以免在进行垃圾回收操作时，有请求到来而无法响应。

（3）此外，目前还有针对考虑块磨损状态的研究，有文献提出一个能意识到块磨损的垃圾回收机制——WECO（Wear Conscious）。WECO由两个主要策略组成：（1）具有磨损意识的牺牲块选择策略，（2）自主数据分离策略。WECO通过综合性能与损耗设置合理的公式来给每个块评分，来选取回收块；并且通过分离冷热数据来提高垃圾回收的效率和保护磨损厉害的块，以增加使用寿命。该方法优点是在垃圾回收时考虑块的磨损均衡，有效提高固态盘使用寿命；缺点是固态盘的性能与其他算法相比提升的空间几乎没有，且有所下降。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 目标

在SSDsim上设计并实现一种可以对现有的垃圾回收算法进行优化的算法。并与现有的垃圾回收算法作比较，包括SSD的请求平均响应时间和Flash块的平均擦除次数。