[發明專利]一種固態盤系統中的映射表緩存管理方法

在審

• 申請號: 201410396527.0
• 申請日: 2014-08-12
• 公開（公告）號: CN104166634A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 吳非;謝長生;李思思;周游;陳虎
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F12/14
• 分類號: G06F12/14
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬

技術領域

本發明屬于固態盤存儲技術領域，更具體地，涉及一種固態盤系統中的映射表緩存管理方法。

背景技術

基于閃存的固態盤(Solid?State?Disk,SSD)具有高性能，抗震動，低功耗等優點。隨著人們對存儲需求的不斷增大，SSD逐漸成為計算機存儲系統的重要組成部分，它被認為可以在不遠的將來替換磁盤，就目前的趨勢來看，無論其是否能夠最終替換磁盤，至少其已經在很多存儲系統中成為了磁盤的有效補充。目前SSD已經廣泛的應用在銀行、金融、航空、軍事、通訊等各行各業中，并已經形成了每年全球上百億的市場。

目前固態盤一般使用NAND型閃存作為存儲介質，閃存芯片的層次結構如附圖1所示，每個芯片由多個晶圓組成，每個晶圓由多個分組組成，每個分組由多個塊組成，每個塊由多個頁組成。閃存具有與傳統機械硬盤不同的操作特性，具體如下：(1)固態盤讀寫的基本單位是頁，而擦除的基本單位是塊。(2)先擦后寫，當固態盤上的數據需要修改時，不能像磁盤那樣直接原地修改，而需要將該頁擦除后再重新寫入數據。(3)閃存塊的擦除次數受限，即閃存的使用壽命有限。閃存塊在擦除一定次數以后，一般是10000次，會變為壞塊而不能夠再繼續使用。

SSD系統的結構如附圖2所示，主機端主要包括應用程序、文件系統和設備驅動，SSD端主要包括緩存模塊、閃存轉換層(Flash?Translation?Layer,FTL)和閃存芯片。其中，緩存模塊由數據緩存和映射表緩存組成，FTL的主要功能是將SSD模擬成標準的塊設備以屏蔽其特性，使得上層文件系統在使用它的時候就像在使用一個普通的磁盤存儲器。FTL包括地址映射、垃圾回收和損耗均衡三個功能模塊。

對于采取頁映射FTL算法的固態盤，映射表緩存用來存儲部分經常被訪問的映射條目，以加速轉換邏輯地址為物理地址的過程。當請求的映射條目不在映射表緩存時，需要將相應的映射條目從閃存的頁映射表載入緩存；當映射表緩存滿而有臟條目被替換時，需要將臟條目更新回閃存的頁映射表。而且，映射信息在閃存和映射表緩存上的訪問粒度并不匹配。映射信息在緩存中以單個條目為訪問單位，條目的內容包括邏輯頁號(Logical?Page?Num,LPN)和物理頁號(Physical?Page?Num,PPN)，大小一般是幾個字節，而映射信息在閃存上以映射頁為訪問單位，大小一般是幾千字節。向緩存載入一個條目包括一次閃存頁的讀，在閃存上更新一個臟條目包括一次閃存頁的讀和寫。所以，映射表緩存中條目的載入和替換會在閃存上引起頻繁的讀寫操作，不僅降低了固態盤的性能，而且縮短了其使用壽命。

替換策略是緩存算法設計的核心，對性能影響最大?；镜奶鎿Q算法有：先來先服務(First?In?First?Out,FIFO)，最近最少使用(Least?Recently?Used，LRU)算法，最不經常使用算法(Least?Frequently?Used,LFU)等等。其中，LRU是最常用的替換策略，它選擇緩存中最近最少被訪問的數據替換出去，不僅實現簡單，而且保存的是最近使用的數據，有效利用了時間局部性。目前的映射表緩存管理算法，比如DFTL中的分段LRU算法，S-FTL中壓縮存儲映射頁的LRU算法等，都是基于負載的局部性以及緩存空間有限的特點提出的，其目的是為了提高緩存的命中率，使查找映射表的工作盡量在緩存中進行，減少對閃存上頁映射表的訪問帶來的額外開銷。

現有的映射表緩存算法存在以下幾個明顯的不足之處：1、DFTL和S-FTL的映射表緩存算法在組織映射緩存中的映射條目時沒能很好地結合固態盤讀寫特性，導致緩存替換帶來大的額外開銷；2、DFTL的映射表緩存算法沒有充分挖掘負載的空間局部性，導致緩存命中率不高；3、閃存上的每個映射頁包含成百上千個映射條目，S-FTL的映射表緩存算法以映射頁為緩存單位，會導致頁內較少被訪問的條目也駐留緩存，降低了緩存的空間利用率。

發明內容

針對現有技術的存在的缺陷，本發明提供了一種更高效的固態盤映射表緩存管理方法，通過批量更新的替換機制和動態預取的載入機制，有效減少了緩存替換和緩存載入帶來的閃存讀寫，進而提高系統的性能，延長SSD的壽命。

按照本發明的一個方面，提供了一種固態盤系統中的映射表緩存管理方法，在所述固態盤系統的閃存轉換層采取頁級映射算法，一個邏輯頁可以被映射到任意一個物理頁上，將這種映射關系記錄在頁映射表中；在所述系統中設置有映射表緩存模塊和閃存模塊；