[發明專利]一種基于負載控制的提高閃存固態硬盤持久性方法

有效

• 申請號: 201210251408.7
• 申請日: 2012-07-19
• 公開（公告）號: CN103019615A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 張菁;廖湘科;任怡;吳慶波;易曉東;何連躍;戴華東;管劍波
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06F3/06
• 分類號: G06F3/06
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 郭敏

技術領域

本發明涉及提高基于固態硬盤的存儲系統持久性的方法，尤其是在多級存儲體系結構中通過控制負載分流和負載寫入時間間隔來提高閃存固態硬盤持久性，確保閃存固態硬盤持久性達到用戶預期要求的方法。

背景技術

近幾年，隨著計算機技術不斷發展，存儲應用的需求不斷提高。閃存固態硬盤以其卓越的響應速率和低能耗成為新一代存儲系統中日益重要的組成部分。然而，閃存固態硬盤成本較高，且擦寫次數有限。閃存固態硬盤的持久性是指其每個比特位的擦除次數有上限，當超過此上限后，該比特位出錯率大幅上升直至不可使用。因而如何提高其持久性從而降低成本成為存儲系統設計中的重要問題。

在典型的基于閃存固態硬盤的多級存儲體系結構中，閃存固態硬盤通常作為多級存儲體系結構中的一級，數據首先在內存中緩沖，然后寫入閃存固態硬盤，由于閃存固態硬盤的容量有限，數據最終會從閃存固態硬盤移到機械磁盤，這就造成了閃存固態硬盤的數據擦除，當這種擦除達到閃存固態硬盤的額定上限后，閃存固態硬盤的壽命用盡。

目前常見的提高閃存固態硬盤持久性方法包括：

1）基于閃存轉換層（FTL）的提高持久性方法。FTL是閃存固態硬盤設備自帶的軟件管理層，位于硬盤設備上，負責管理固態硬盤上的閃存芯片。數據寫入硬盤后，FTL對其進行虛實地址映射，實現原地址更新、垃圾回收、擦寫均衡等功能，并采用改進地址映射方式、數據放置策略、垃圾回收機制等方法提高硬盤持久性。這類方法的缺點是，由于FTL位于硬盤設備上，因此基于FTL的方法是在硬盤設備層優化持久性，不能從根本上減輕硬盤的負載壓力，只能在既定負載下盡力提高硬盤壽命。

2）基于輸入輸出（IO）模式的提高持久性方法。這類方法是通過改進上層系統對閃存固態硬盤的IO方式，感知閃存固態硬盤設備隨機讀取速度高、隨機寫入速度低、更新開銷大等特點，將不適合閃存固態硬盤的IO訪問轉換為其適合的IO模式，從而最大限度發揮閃存固態硬盤的優勢同時避開其劣勢。現有的很多研究通過改進數據的組織和索引結構、采用緩沖和批處理方法、采用順序添加或環形槽機制等，優化系統IO模式，提高閃存固態硬盤持久性。這一類方法在系統層優化負載寫入方式，可減輕閃存固態盤的負載，但和上一類方法一樣，依然只能盡力增加閃存固態硬盤的持久性，不能保證硬盤使用壽命達到用戶指定的時間。

3）基于負載控制的提高持久性方法。基于FTL和基于IO模式的持久化方法只能盡力延長閃存固態硬盤的壽命，不能保證其使用壽命達到用戶預設的要求，而基于負載控制的方法可很好地解決這個問題。韓國首爾國立大學和三星電子于2012年聯合提出了一種基于負載控制的提高持久性方法，步驟如下：

第一步：根據閃存固態硬盤的最大擦寫能力和用戶期望壽命（用戶自己設定的希望閃存固態硬盤使用的時間壽命），計算出單位時間的額定寫入負載量；

第二步：記錄單位時間的負載寫入量，當達到額定量時，停止寫入，從而保證在期望壽命到達前總寫入負載不會超過固態盤報銷上限。

第三步：根據歷史負載寫入情況和閃存自恢復性，動態調整單位時間寫入門限。

基于負載控制的方法可保證達到用戶的期望壽命，如韓國首爾國立大學和三星電子提出的方法，但該方法未考慮存儲系統的結構和IO模式，未能對負載進行優化，對系統讀寫響應性能的影響較大。

如何保證對系統讀寫響應性能的影響小的條件下提高閃存固態硬盤持久性是本領域技術人員極為關注的技術問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于：針對基于固態硬盤的存儲系統中的持久性問題，提出通過控制負載分流和負載寫入時間間隔來提高閃存固態硬盤持久性的方法，既保證閃存固態硬盤達到用戶提出的合理期望壽命，又減小對系統讀寫響應性能的影響。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案為：

第一步，構建分流緩沖持久性保障系統：在內存中建立分流緩沖器，分流緩沖器分為三個區：候選區、緩沖區和溢出區。每條數據大小相等，寫入的數據按到達時間順序先放置在候選區，候選區裝滿后從候選區移入緩沖區，緩沖區裝滿后從緩沖區移入溢出區。閃存固態硬盤通過主板上的外部設備擴展接口（PCI）連接中央處理器（CPU）。閃存固態硬盤上存儲的數據以塊（Block）為單位進行寫入和擦除。分流緩沖器中的三個區都與Block大小相等。

第二步，在計算機操作系統應用層安裝主控軟件，由主控軟件對分流緩沖器、閃存固態硬盤、機械磁盤的讀寫進行控制，并在內存中建立各種計數器模塊：

●分流緩沖器計時器，用于記錄從上次分流緩沖器刷寫數據到當前時刻經過了多久；