[發明專利]一種固態盤的緩存管理方法

有效

• 申請號: 201310096798.X
• 申請日: 2013-03-25
• 公開（公告）號: CN103136121A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 宋振龍;魏登萍;李瓊;郭御風;肖立權;周恩強;董勇;黎鐵軍;李元山;胡積平;謝徐超;王燁琛;李旭言
• 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: G06F12/08
• 分類號: G06F12/08
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪;譚武藝

技術領域

本發明涉及存儲設備的緩存管理方法，具體涉及一種固態盤的緩存管理方法。

背景技術

固態盤（Solid?State?Disk，SSD）是一種利用Flash介質或DRAM芯片作為數據永久存儲的硬盤。現在比較常見的SSD為基于Flash介質的SSD，由Flash介質、SSD控制器和一塊作為控制器內存使用的DRAM組成。固態盤由于摒棄了傳統磁介質、采用電子存儲介質進行數據存取，因此擺脫了磁介質硬盤的機械性限制，大大減少了數據查找時間。固態盤的延時為微秒(us)級，?隨機訪問性能比傳統硬盤高一到兩個數量級。同時，固態盤具有非易失性、低功耗、抗震性強、讀寫帶寬高、隨機訪問速度快、可靠性高等優點，能夠對小粒度、隨機IO訪問提供較好的支持。因此，固態盤的使用從一定程度上解決了當代存儲系統所面臨的一些問題，如訪問速度受限等，成為了當前存儲領域的研究熱點之一。

然而，SSD在具有上述諸多優勢的同時，也存在一些問題。較典型的是固態盤的擦后寫機制。固態盤讀寫的基本單位是頁，而擦除的基本單位是塊，固態盤的擦后寫機制是指需要更改固態盤某個塊中的某個頁時，需要先擦除整個塊，再寫入該頁。為了使得該塊的其他數據不丟失，在擦除之前需要將該塊中的數據移動到別處，然后再擦除該數據塊，最后再寫入該頁。這樣大大限制了固態盤的隨機寫性能，成為固態盤壽命較短的一個主要因素，限制了固態盤的應用。而且，擦后寫機制使得固態盤的寫性能大大低于讀性能，且頻繁的擦寫降低了固態盤的使用壽命。

為了提高固態盤的性能，降低擦除次數并延長固態盤的使用壽命，緩存機制被引入，即利用處理數據的時間局部性和空間局部性，將固態盤中的DRAM空間用來緩存寫請求的數據，使得一些固態盤的讀寫操作在緩存中就可以完成，減少了訪問Flash介質的次數。目前，存在一些針對固態盤的緩存管理算法。例如，BPLRU算法利用一個寫緩存來優化隨機寫性能，所有主機提交的寫請求在寫緩存中重新排序然后傳遞給Flash轉換層（Flash?Transition?Layer，?FTL）。Clean-First?LRU（CFLRU）算法在不降低緩存命中率的前提下盡量把臟頁滯留緩存來減少對Flash介質中存儲單元的寫次數；LRU-WSR算法將所有的頁面分為兩類，訪問頻率高的“熱”頁和訪問頻率低的“冷”頁，并在頁鏈表中為每個頁增加了一個“冷熱”標識，“冷”頁被優先置換出緩存。這些針對各自不同的目標而設計的緩存管理算法各有優劣，適用于不同的IO訪問場景。

為了增加固態盤的性能，延長使用壽命，緩存管理算法應該滿足三個方面的要求：（1）盡量利用有限的緩存空間來提高緩存命中率，以提高讀寫速度并減少寫次數；（2）寫數據帶來的擦除操作應盡可能少，且頁的復制次數盡可能少；（3）緩存管理需使得后續的垃圾回收操作盡量簡單且復雜度低。但是，上述現有技術均為側重某一個方面，不能同時滿足上述三個方面的要求，而且當前專利和文獻中還未見兼顧上述三個特征的緩存管理方法的相關報道。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種能夠有效利用有限的緩存空間并增加緩存的命中率、使得寫入Flash介質中的塊包含盡量多的頁以減少擦除操作及其帶來的頁復制操作、后續的垃圾回收操作簡單的固態盤的緩存管理方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種固態盤的緩存管理方法，其實施步驟如下：

1）預先在固態盤的緩存中建立用來存儲緩存數據的頁緩存和用來存儲替換塊的替換塊緩存，然后在固態盤的緩存中建立新頁鏈表、物理塊鏈表、物理頁狀態表；新頁鏈表用于記錄頁緩存中的待寫入固態盤的邏輯頁號；物理塊鏈表用于記錄頁緩存中的邏輯頁所對應的物理塊號的信息，物理塊鏈表中的每一個結點為一個用于記錄該物理塊內所有帶有數據及有效標識位的“臟”頁的“臟”頁鏈表；物理頁狀態表用于記錄固態盤中每個物理頁的數據“有效”、“失效”、“干凈”三者之一的狀態信息；

2）接收來自主機的IO請求，如果IO請求為讀請求則跳轉執行步驟3）；如果IO請求為寫請求則跳轉執行步驟4）；

3）優先讀取頁緩存中的邏輯頁，當頁緩存未命中時，通過FTL從固態盤上讀取邏輯頁，且將邏輯頁數據存入頁緩存，更新物理塊鏈表的“臟”頁鏈表并將所述邏輯頁對應物理頁的狀態標記為“有效”；最終將邏輯頁數據返回給主機并跳轉執行步驟2）；