[發明專利]一種提升NVMe固態硬盤讀緩存命中的方法

有效

• 申請號: 201710948213.0
• 申請日: 2017-10-12
• 公開（公告）號: CN107943715B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 吳嫻;許毅
• 申請（專利權）人: 記憶科技（深圳）有限公司
• 主分類號: G06F12/0862
• 分類號: G06F12/0862;G06F12/0866;G06F12/0893;G06F12/122
• 代理公司: 廣東廣和律師事務所 44298
• 代理人: 董紅海

本發明公開了一種提升NVMe固態硬盤讀緩存命中的方法，其特征在于固態硬盤根據主機下發的LBA區間讀訪問頻率信息，固態硬盤根據接收到的各個LBA區間讀訪問頻率進行排序，優先主動將高概率的LBA區間預先從NAND讀出到固態硬盤的讀緩存中；所述讀訪問頻率信息Access Frequency由主機統計并寫入NVMe協議中LBA區間的讀訪問頻率信息Access Frequency字段。利用NVMe協議中的LBA區間的訪問頻率作為后續主機讀取該LBA區間的概率并下發給SSD，SSD根據該頻率信息預讀對應的數據至讀緩存，實現提升了讀緩存命中的概率，即提高固態硬盤數據預讀的準確性。

技術領域

本發明涉及固態硬盤控制技術，特別涉及一種提升NVMe固態硬盤讀緩存命中的方法。

背景技術

固態硬盤SSD中的數據讀取速度是硬盤性能的一個重要指標,其讀取的速度受固態硬盤的各級數據傳輸速度的影響、受固態硬盤控制器命令處理的機制和速度的影響、同時還受固態硬盤本身物理存儲單元訪問的影響。因此為了提升固態硬盤的讀性能會從各個環節進行優化。由于固態硬盤物理存儲單元的訪問速度受其設計的物理特性的影響，因此除了更改芯片設計外很難有更改的空間。因此更多的是通過優化固態硬盤的處理機制進行性能提升。

通過統計和分析可知，主機訪問固態硬盤都存在一定順序性，所述的順序性就是主機相鄰多個命令存在大概率的訪問連續地址的固態硬盤空間的情況。固態硬盤中一般都設有高速緩存DRAM，用于緩存主機與固態硬盤間的通訊數據。在沒有讀緩存機制的NVMe固態硬盤(SSD)的情況時，主機發起的讀命令的數據需要先從Nand傳輸到DRAM，再從DRAM傳輸到主機，假設主機下發多個順序讀命令1,2,3,4,5,6,7,8,9……，每個命令的大小一樣，那么無讀緩存機制下這些命令執行的情況如圖1，圖1是無緩存機制的數據流圖，主機Host連續多個順序讀數據命令的實現都是Nand到DRAM和DRAM到Host的串行時間累加，每個環節都是串行的，因此整體消化時間較大。

為了改善串行處理帶來的時間消耗，提出了數據預讀緩存機制，所述的數據預讀緩存機制就是固態硬盤的固件內部預測主機后續將要讀取的數據，預先把對應的數據從Nand讀到緩存DRAM中，如圖2是數據預讀緩存機制的數據流圖；當固態硬盤接收到主機的讀命令后，根據順序性固態硬盤的固件在響應主機的讀命令后，主動執行將該讀命令地址連續的多個Nand的數據預先讀到DRAM中，待主機讀命令真正下發時，先檢查DRAM中是否存在本次讀命令所需要讀的地址數據，也就是讀緩存命中檢測，如果有稱為命中，如果沒有稱為不命中。如果命中了讀緩存，則數據直接從DRAM傳輸到主機，大大提升了讀性能。數據預讀緩存機制取決于固件預測的準確度，準確度高則讀緩存命中率高，性能提升明顯，如果準確度不高，則不僅不能提升性能，還額外消耗了DRAM資源且增加了功耗。

當前的固件設計預測主要是根據主機已下發命令的順序性，預測后續的讀命令也是順序的，然后啟用預讀機制，把后續的數據從Nand Flash預先讀到讀緩存中，這種方法有如下缺點：

1.數據的預讀比較滯后；發現順序的命令流之后才能預讀數據，節奏慢了一拍。

2.猜測的準確度不高；如果主機下發順序讀命令本來就很少，那么SSD內部預讀到緩存中的數據大部分都是無用的，即讀緩存的命中率不高。

3.讀命中率不高帶來的另一個缺點是功耗的浪費；因為Nand Flash和DRAM工作功耗占了整個SSD功耗的大部分。

DRAM資源的浪費；沒有命中讀緩存的命令會走正常讀通路從Nand flash取數據，這需要DRAM資源作為數據的中間載體，但是無效的讀緩存占據了部分DRAM，且無法快速釋放。這會影響正常讀通路高效運轉。

發明內容

針對以上缺陷，本發明目的是如何提高固態硬盤數據預讀的準確性，進而實現提供固態硬盤讀性能。