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Android裝置快閃儲存寫入加速策略暨效能評估方法
(2014)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系（所）
具備高速界面與多通道架構之固態硬碟在耗電、服務品質保證、與讀寫效能方面之研究
(2015)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系（所）
具備高速界面與多通道架構之固態硬碟在耗電、服務品質保證、與讀寫效能方面之研究
(2016)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系（所）
大規模快閃記憶體儲存系統之耐久度暨可靠性之研究
(2006)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系(所)
快閃記憶體為一種非揮發性的記憶媒體，並有著耐震，低能源消耗的良好特性。因此，快閃記憶體相當適合作為嵌入式系統所使用之儲存媒體。舉例來說，快閃記憶體儲存系統可以應用在電源有限的行動裝置裡，或者是暴露在極端操作環境下的生產控制系統中。近來，由於消費性電子產品與嵌入式計算系統的推波助瀾，快閃記憶體的製造技術不論是在容量，功能，以及可靠性上均有長足的進步。也因此，在嵌入式系統中佈署大規模的快閃記憶體儲存系統已然是一種趨勢。由於快閃記憶體有著相當特殊的硬體特性，不僅一般使用於動態隨機存取記憶體或外部記憶體（如磁碟等）的管理策略不適合直接使用在快閃記憶體上，現存的方法套用於高容量的快閃記憶體時也會遇到效能與資源使用的兩難局面。以往，快閃記憶體多被使用於存取行為比較簡單的消費性電子產品，如用以儲存數位相片、音樂、以及數位影片。當高容量大規模的快閃記體儲存系統開始被廣泛使用，除了消費性電子產品以外，一些存取行為較複雜之嵌入式系統或行動裝置亦將開始使用快閃記憶體儲存系統，如機上盒，個人資訊助理，甚至是行動PC。與以往的研究不同的是，本計畫的主要目的在於，在複雜的存取行為之下，如何以極有限的系統資源（如，CPU 時間以及RAM 空間）來有效率地處理大規模快閃記憶體儲存系統之可靠性及耐久度的問題。具體來說，本研究計畫之命題有三：（一）如何使用有限的系統資源，達成平均磨損高容量快閃記憶體上之所有抹除單位並延長整體壽命之目的，（二）如何有效地組織快閃記憶體上的資料，使得它們可以在開機時可以快速被分析，並可修復因為斷電造成之資料不一致的現象，以及（三）如何在平行化之架構設計之下，以先進快閃記憶體提供之高儲存容量靈活地換取更高之系統可靠性、更高之存取效能、以及更低之能源消耗。我們相信，在不久的將來，工業界在設計大規模快閃記憶體儲存系統時，必然會面對我們目前所嘗試解決的問題。尤其是台灣廠商投入在快閃記憶體儲存系統的努力相當可觀，因此，不論就學術價值以及業界需要來看，這個計畫的成果將非常可能轉化為我們本土廠商的助力。
嵌入式系統測試實驗室---基準評比指標設計---子計畫四：嵌入式系統測試實驗室---檔案存取行為剖析與效能最佳化
(2013)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系（所）
嵌入式系統測試實驗室---軟體、軔體與硬體之評比、剖析與最佳化---子計畫四：嵌入式系統測試實驗室---檔案系統及其底層元件效能評比與研究 (I)
(2011)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系（所）
Android 作業系統近來廣泛地被使用在行動手持裝置上。雖然Android 與一般的個人電腦一樣，使用的是Linux 核心提供的檔案系統，但由於Android 裝置使用的快閃儲存裝置屬於較為低階的嵌入式記憶卡，因此它的檔案讀寫效能常會被寫入樣式大大影響。本計畫著眼於改善Linux 既有的分頁取代以及磁碟排程演算法，將寫入動作轉換為對嵌入式記憶卡更友善的樣式來實施。另一方面，本計畫也提出了一套能夠在Android 系統下將檔案讀寫效能測試自動化的工具，藉以測量評比各種檔案系統，分頁取代，以及磁碟排程演算法在嵌入式記憶卡上的效能。
嵌入式系統測試實驗室: 軟體、軔體與硬體之評比、剖析與最佳化---子計畫四：嵌入式系統測試實驗室: 檔案系統及其底層元件效能評比與研究( II )
(2012)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系（所）
嵌入式網路通訊裝置測試中心---方法與工具之實驗開發與推廣---子計畫三：嵌入式網路通訊裝置-儲存系統效能評比技術及工具之設計與開發
(2007)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系(所)
由於快閃記憶體的良好物理特性，如非揮發性，耐震，以及省電，使得它一向是嵌入式系統中儲存媒體的最好選擇。作為一個儲存媒體，目前評比快閃記憶體為基礎的儲存系統效能的方法，還是援用設計給以磁碟為基礎之儲存系統的既有方法。這些方法固然可以測出一些表面的效能瓶頸，但是卻無法深入發掘導致效能低落的問題所在，而這些問題往往是與快閃記憶體的特殊管理議題有關。舉例來說，快閃記憶體上面的可用空間是由垃圾回收方法所產生的，這種內部動作，會不時產生冗長的停頓時間。而垃圾回收則會磨損快閃記憶體。而為了平均地磨損快閃記憶體，又有了平均磨損的議題。因此，除了典型之response 與 throughput，欲佈署快閃記憶體在嵌入式系統中以為儲存媒體，測試評比之對象，還必須包含快閃記憶體的壽命問題，即時應用程式支援能力，時間以及空間計算資源之成本，快閃記憶體的空間利用率，快閃記憶體傳輸介面之頻寬利用率等等。本研究計畫的目的，在於針對快閃記憶體為基礎之儲存系統，設計與實作出完整之效能評比程序，工具，以及技術。具體工作項目包括：作業系統核心與韌體之事件擷取機制，標準測試程序之建立，測試標竿之設計，完整之批次測試工具，以及虛擬平台技術。本計畫進行分為三年：第一年，針對既有方法與產品，做大規模並正規之效能評比。產出之效能評比結果，除了瞭解不同待測物各自的優勢，最重要的議題是能定論何種待測物不適用於哪一種應用系統。而測試評比之經驗，則可延伸至測試工具的設計與實作。第二年，基於第一年之經驗，設計出批次測試評比之相關工具。此外，基於批次測試技術，我們的技術議題則延伸至自動診斷技術，用以發現待測物的效能瓶頸與弱點。本年度為達成可接受待測物並且進行in-lab測試。第三年則延續第二年開發之工具與技術，產出可逕付廠商之測試工具與測試程序。而為了進行快速測試與驗證，本年度的技術議題則為虛擬平台。虛擬平台技術是將快閃記憶體管理軟體與外界之所有介面做一個行為的抽像。有了虛擬平台，廠商不必將待測物之源碼開放給測試實驗室，便可搭配測試評比工具，逕行對快閃記憶體之管理方法作白箱測試以及與反覆的修改與驗證。
嵌入式網路通訊裝置評比技術與工具之研發---子計畫四：嵌入式網路通訊裝置儲存裝置效能評比基準與工具之研發
(2008)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系(所)
由於快閃記憶體的良好物理特性，如非揮發性，耐震，以及省電，使得它一向是嵌入式系統中儲存媒體的最好選擇。作為一個儲存媒體，目前評比快閃記憶體為基礎的儲存系統效能的方法，還是援用設計給以磁碟為基礎之儲存系統的既有方法。這些方法固然可以測出一些表面的效能瓶頸，但是卻無法深入發掘導致效能低落的問題所在，而這些問題往往是與快閃記憶體的特殊管理議題有關。舉例來說，快閃記憶體上面的可用空間是由垃圾回收方法所產生的，這種內部動作，會不時產生冗長的停頓時間。而垃圾回收則會磨損快閃記憶體。而為了平均地磨損快閃記憶體，又有了平均磨損的議題。因此，除了典型之回應時間與資料吞吐量，欲佈署快閃記憶體在嵌入式系統中以為儲存媒體，測試評比之對象，還必須包含快閃記憶體的壽命問題，即時應用程式支援能力，時間以及空間計算資源之成本，快閃記憶體的空間利用率，快閃記憶體傳輸介面之頻寬利用率等等。本研究計畫的目的，在於針對快閃記憶體為基礎之儲存系統，設計與實作出完整之效能評比程序，工具，以及技術。測試對象有二：快閃記憶體檔案系統，以及固態硬碟。工作項目包括：作業系統核心與韌體之事件擷取機制，標準測試程序之建立，測試標竿之設計，完整之批次測試工具，以及虛擬平台技術。本計畫進行分為三年：第一年，針對既有方法與產品，做大規模並正規之效能評比。產出之效能評比結果，除了瞭解不同待測物各自的優勢，最重要的議題是能定論何種待測物不適用於哪一種應用系統。而測試評比之經驗，則可延伸至測試工具的設計與實作。第二年，基於第一年之經驗，設計出批次測試評比之相關工具。此外，基於批次測試技術，我們的技術議題則延伸至自動診斷技術，用以發現待測物的效能瓶頸與弱點。本年度為達成可接受待測物並且進行in-lab測試。第三年則延續第二年開發之工具與技術，產出可逕付廠商之測試工具與測試程序。而為了進行快速測試與驗證，本年度的技術議題則為虛擬平台。虛擬平台技術是將快閃記憶體管理軟體與外界之所有介面做一個行為的抽象。有了虛擬平台，廠商不必將待測物之源碼開放給測試實驗室，便可搭配測試評比工具，逕行對快閃記憶體之管理方法作白箱測試以及與反覆的修改與驗證。
嵌入式網路通訊裝置評比技術與工具之研發---子計畫四：嵌入式網路通訊裝置儲存裝置效能評比基準與工具之研發(中心分項)(I)
(2009)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系(所)
由於快閃記憶體的良好物理特性，如非揮發性，耐震，以及省電，使得它一向是嵌入式系統中儲存媒體的最好選擇。作為一個儲存媒體，目前評比快閃記憶體為基礎的儲存系統效能的方法，還是援用設計給以磁碟為基礎之儲存系統的既有方法。這些方法固然可以測出一些表面的效能瓶頸，但是卻無法深入發掘導致效能低落的問題所在，而這些問題往往是與快閃記憶體的特殊管理議題有關。舉例來說，快閃記憶體上面的可用空間是由垃圾回收方法所產生的，這種內部動作，會不時產生冗長的停頓時間。而垃圾回收則會磨損快閃記憶體。而為了平均地磨損快閃記憶體，又有了平均磨損的議題。因此，除了典型之回應時間與資料吞吐量，欲佈署快閃記憶體在嵌入式系統中以為儲存媒體，測試評比之對象，還必須包含快閃記憶體的壽命問題，即時應用程式支援能力，時間以及空間計算資源之成本，快閃記憶體的空間利用率，快閃記憶體傳輸介面之頻寬利用率等等。本研究計畫的目的，在於針對快閃記憶體為基礎之儲存系統，設計與實作出完整之效能評比程序，工具，以及技術。測試對象有二：快閃記憶體檔案系統，以及固態硬碟。工作項目包括：作業系統核心與韌體之事件擷取機制，標準測試程序之建立，測試標竿之設計，完整之批次測試工具，以及虛擬平台技術。本計畫提案分為兩年，而前期已有連續性的計畫執行中。已執行的計畫中，已經針對既有的儲存裝置，利用既有的工具，做了大規模的評比測試。本計劃提案的第一年，則開發整合我們自行開發的測試工具，持續精進至可進行in-lab test 的水準，並且將測試的角度，由以往完全黑箱測試，延伸至可部分知道，或者全部知道待測物內部狀況的測試方法。本年度搭配虛擬平台技術的開發，讓固態硬碟廠商可以在不需要公開原始碼的狀況下，能夠做所謂的白箱測試。第二年，則延續第一年開發之工具與技術，產出可逕付廠商做out-lab之測試工具與測試程序。而本年度的技術議題則延伸至自動診斷技術，用以發現待測物的效能瓶頸與弱點，給固態硬碟設計者一些技術上可改良的建議。
嵌入式網路通訊裝置評比技術與工具之研發---子計畫四：嵌入式網路通訊裝置儲存裝置效能評比基準與工具之研發(中心分項)(II)
(2010)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系（所）
快閃記憶體之原生高效率資料存取暨檔案管理方法
(2007)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系(所)
由於快閃記憶體的良好物理特性，如非揮發性，耐震，以及省電，使得它一向是嵌入式系統中儲存媒體的最好選擇。而概觀一個嵌入式系統存取儲存媒體的方式，不外乎有三：韌體(firmware)直接存取重要系統資料，應用程式透過檔案系統(file systems)存取檔案，以及應用程式透過資料庫介面(database)存取資料紀錄。這些資料的存取方法，本質上都是將某種固定格式套用在儲存空間上，並以參照指標將資料連接組織起來，以利快速存取。由此可見，參照指標的讀寫動作，是任何結構性資料的基礎。這樣的動作在 RAM 或是磁碟這類以往的記憶體上並不成問題。不過，在快閃記憶體上面實作參照指標則相當困難。這主要肇因於快閃記憶體的物理特性，如一次寫入，大塊抹除，最小讀寫單位之限制，乃至於被參照的資料會不由自主地被垃圾收集或是平均磨損策略所移動。以往之解決方案，則為賦予每份資料物件一個邏輯位址。這樣一來，資料的邏輯位址並不隨著它的實體位址改動而變化，而資料彼此之間的參照指標也因為使用邏輯位址而不需要直接更新到媒體上。但此法帶來幾個基本的問題，如需要大量RAM 空間的需求，以及冗長的啟動時間。本研究計畫的核心議題在於，如何摒棄以往使用邏輯位址(logical addresses)之作法，而直接在快閃記憶體上使用參照指標將資料物件以物理位址 (physical addresses)來組織起來。若實體參照指標可以成功地在快閃記憶體上實作，那麼既有之索引結構或結構性資料便可以原生地在快閃記憶體上實作，並可以避免上述因使用邏輯位址造成的問題。而解決這個基本議題後，基於參照指標的任何結構性資料存取方法，如檔案系統或資料庫系統，其長久以來的設計議題便可以嶄新的角度解決。不過，實作實體參照指標卻也在快閃記憶體上帶來幾個基本的議題，如額外之資料寫入，指標更新之傳遞問題，垃圾回收之死結問題，平均磨損的問題，以及資料更新動作易受電源跳脫之破壞等等。為研究此相關衍生議題，本研究計畫分為兩年度：第一年度之研究標的為研究如何在NOR 與 NAND 兩種不同的快閃記憶體上，透過使用實體參照，以有效率的方法實作索引結構，並研究如何解決前開之基本議題。我們各自以skip list 與 B-tree 在NOR 與 NAND 上的實作為標的來進行研究。第二年，基於第一年的學理成果，我們將會把主題帶進如何在NOR 與NAND 上實作有效率的檔案系統與資料庫系統，並與現存之使用邏輯參照指標之各種方法作比較。依個人淺見，由於快閃記憶體容量不斷提昇，為了減少RAM 空間的需求以及快速啟動，在快閃記憶體上實施實體參照取代邏輯位址將逐漸成為必要作法。這也是本研究計畫之核心目標。
應用於固態硬碟之跨層協同式效能最佳化策略
(2014)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系（所）
基於快閃記憶體的固態硬碟，目前已經廣泛地被使用於筆記電腦，智慧手機，與平板電腦。固態硬碟有著非常獨特的內部資料管理機制以及效能最佳化手段。在傳統的架構下，作業系統與儲存裝置兩者，僅能透過固有的區塊裝置介面交換讀寫命令以及資料。然而，一方面作業系統端無從得知儲存裝置內部的資料管理狀況，二方面裝置端喪失了檔案系統層次的資訊。以上種種問題，限制了改善固態儲存裝置效能的潛在機會。本研究探討如何強化傳統的區塊裝置介面，從而使作業系統端與儲存裝置端可以互相交換資訊，藉跨層的協同手段，達成最佳化固態儲存裝置效能的目的。此外，亦可透過強化的區塊裝置介面，使得主機端可取得裝置內部的管理資訊，從而以協助的角度來進行耗費較多計算時間或者空間成本的演算方法。本計劃提案的技術議題，則為基於此強化的溝通介面下，探討什麼樣的工作適合跨層次協同處理，以及協同處理的相關策略。本計劃預計以三年為期，第一年討論跨層的緩衝快取協同管理，亦即作業系統端分頁快取可查詢裝置內部快取以及垃圾收集狀況，決定將哪些資料優先往下傳遞給裝置快取。第二年探討快閃記憶體轉址的協同處理，也就是說主機端從裝置取得部份的轉址資訊，並視機會進行高解析度轉址，減輕裝置端進行轉址時造成的效能與空間成本。第三年預計討論管理演算法所需的計算資源之分攤，亦即主機端從裝置端獲得管理資訊後，可執行較複雜且空間需求較大的管理演算法，如垃圾收集以及冷熱資料辨認等等，並將計算結果交給裝置來執行。我們相信藉由資訊以及資源共享的方式，主機端的作業系統與裝置端的軔體能協同發掘出更大的效能躍進。
應用於固態硬碟之跨層協同式效能最佳化策略
(2013)
張立平
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Chang Li-Pin
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國立交通大學資訊工程學系（所）
基於快閃記憶體的固態硬碟，目前已經廣泛地被使用於筆記電腦，智慧手機，與平板電腦。固態硬碟有著非常獨特的內部資料管理機制以及效能最佳化手段。在傳統的架構下，作業系統與儲存裝置兩者，僅能透過固有的區塊裝置介面交換讀寫命令以及資料。然而，一方面作業系統端無從得知儲存裝置內部的資料管理狀況，二方面裝置端喪失了檔案系統層次的資訊。以上種種問題，限制了改善固態儲存裝置效能的潛在機會。本研究探討如何強化傳統的區塊裝置介面，從而使作業系統端與儲存裝置端可以互相交換資訊，藉跨層的協同手段，達成最佳化固態儲存裝置效能的目的。此外，亦可透過強化的區塊裝置介面，使得主機端可取得裝置內部的管理資訊，從而以協助的角度來進行耗費較多計算時間或者空間成本的演算方法。本計劃提案的技術議題，則為基於此強化的溝通介面下，探討什麼樣的工作適合跨層次協同處理，以及協同處理的相關策略。本計劃預計以三年為期，第一年討論跨層的緩衝快取協同管理，亦即作業系統端分頁快取可查詢裝置內部快取以及垃圾收集狀況，決定將哪些資料優先往下傳遞給裝置快取。第二年探討快閃記憶體轉址的協同處理，也就是說主機端從裝置取得部份的轉址資訊，並視機會進行高解析度轉址，減輕裝置端進行轉址時造成的效能與空間成本。第三年預計討論管理演算法所需的計算資源之分攤，亦即主機端從裝置端獲得管理資訊後，可執行較複雜且空間需求較大的管理演算法，如垃圾收集以及冷熱資料辨認等等，並將計算結果交給裝置來執行。我們相信藉由資訊以及資源共享的方式，主機端的作業系統與裝置端的軔體能協同發掘出更大的效能躍進。
應用於固態硬碟之跨層協同式效能最佳化策略
(2012)
張立平
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國立交通大學資訊工程學系（所）
基於快閃記憶體的固態硬碟，目前已經廣泛地被使用於筆記電腦，智慧手機，與平板電腦。固態硬碟有著非常獨特的內部資料管理機制以及效能最佳化手段。在傳統的架構下，作業系統與儲存裝置兩者，僅能透過固有的區塊裝置介面交換讀寫命令以及資料。然而，一方面作業系統端無從得知儲存裝置內部的資料管理狀況，二方面裝置端喪失了檔案系統層次的資訊。以上種種問題，限制了改善固態儲存裝置效能的潛在機會。本研究探討如何強化傳統的區塊裝置介面，從而使作業系統端與儲存裝置端可以互相交換資訊，藉跨層的協同手段，達成最佳化固態儲存裝置效能的目的。此外，亦可透過強化的區塊裝置介面，使得主機端可取得裝置內部的管理資訊，從而以協助的角度來進行耗費較多計算時間或者空間成本的演算方法。本計劃提案的技術議題，則為基於此強化的溝通介面下，探討什麼樣的工作適合跨層次協同處理，以及協同處理的相關策略。本計劃預計以三年為期，第一年討論跨層的緩衝快取協同管理，亦即作業系統端分頁快取可查詢裝置內部快取以及垃圾收集狀況，決定將哪些資料優先往下傳遞給裝置快取。第二年探討快閃記憶體轉址的協同處理，也就是說主機端從裝置取得部份的轉址資訊，並視機會進行高解析度轉址，減輕裝置端進行轉址時造成的效能與空間成本。第三年預計討論管理演算法所需的計算資源之分攤，亦即主機端從裝置端獲得管理資訊後，可執行較複雜且空間需求較大的管理演算法，如垃圾收集以及冷熱資料辨認等等，並將計算結果交給裝置來執行。我們相信藉由資訊以及資源共享的方式，主機端的作業系統與裝置端的軔體能協同發掘出更大的效能躍進。
高效能固態硬碟管理方法暨存取策略
(2011)
張立平
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國立交通大學資訊工程學系（所）
高效能固態硬碟管理方法暨存取策略
(2009)
張立平
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國立交通大學資訊工程學系(所)
高效能固態硬碟管理方法暨存取策略
(2010)
張立平
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國立交通大學資訊工程學系（所）