[發(fā)明專利]一種防止文件碎片化的文件存儲(chǔ)系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810519947.1
• 申請(qǐng)日: 2018-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN110609817A
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戴瑾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號(hào): G06F16/18
• 分類號(hào): G06F16/18;G06F16/172
• 代理公司: 31287 上海容慧專利代理事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 于曉菁

本發(fā)明公開了一種防止文件碎片化的文件存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括：第一存儲(chǔ)器、第二存儲(chǔ)器以及主控制單元；第一存儲(chǔ)器為采用整塊讀寫的非易失性存儲(chǔ)器；執(zhí)行大文件的寫入操作時(shí)，先將大文件的數(shù)據(jù)連續(xù)保存至第二存儲(chǔ)器中，當(dāng)?shù)诙鎯?chǔ)器中保存的大文件的數(shù)據(jù)量達(dá)到一個(gè)存儲(chǔ)塊的容量時(shí)，將這些第一批數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至第一存儲(chǔ)器的第一存儲(chǔ)塊中；大文件剩下的數(shù)據(jù)繼續(xù)保存至第二存儲(chǔ)器中，當(dāng)數(shù)據(jù)量再次達(dá)到一個(gè)存儲(chǔ)塊的容量時(shí)，將這些第二批數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至第一存儲(chǔ)器的第二存儲(chǔ)塊中，直到大文件的數(shù)據(jù)全部存入第一存儲(chǔ)器中。本發(fā)明大大降低了文件碎片化的可能性；降低NAND的擦寫次數(shù)，延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命；也會(huì)使得NAND在長(zhǎng)期使用后，持續(xù)保持高性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種文件存儲(chǔ)系統(tǒng)，特別涉及一種防止文件碎片化的文件存儲(chǔ)系統(tǒng)，屬于文件存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

現(xiàn)在計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、平板電腦中，用戶數(shù)據(jù)、文件被存在硬盤或者NAND閃存芯片中以及由NAND閃存組成的固態(tài)硬盤里。NAND和固態(tài)硬盤取代傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤又是一個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。

NAND是一種整塊讀寫的存儲(chǔ)設(shè)備，寫(寫入0)比讀慢得多，擦除(寫入1)則比寫還要慢得多。最小可讀寫的單元叫頁(yè)(page)，最小可擦除的單元叫塊(block)，一個(gè)塊(block)往往由很多頁(yè)(page)組成，塊(block)擦除后里面的頁(yè)(page)可以進(jìn)行單獨(dú)的寫入(program)操作。NAND閃存的一個(gè)問(wèn)題是NAND具有有限的壽命。里面的每一個(gè)頁(yè)(page)經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的擦寫以后，就會(huì)永久失效不能繼續(xù)使用。目前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)是NAND的容量和數(shù)據(jù)密度增長(zhǎng)非常快，但卻是以降低壽命為代價(jià)。可擦寫次數(shù)從最初的10萬(wàn)次降低到目前的3000次左右。

在軟件層面，手機(jī)和計(jì)算機(jī)的架構(gòu)如下：應(yīng)用軟件向操作系統(tǒng)發(fā)出打開、關(guān)閉、讀、寫文件指令；操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)軟件部分把讀、寫文件的指令轉(zhuǎn)化為讀、寫存儲(chǔ)塊的指令；NAND驅(qū)動(dòng)與管理軟件接受讀寫存儲(chǔ)塊區(qū)的指令，進(jìn)行緩存、寫均衡等優(yōu)化，向芯片發(fā)出頁(yè)(page)，寫塊(block)等指令；在計(jì)算機(jī)和手機(jī)中，NAND管理軟件通常在SSD或者存儲(chǔ)卡內(nèi)部的控制芯片上運(yùn)行；在手機(jī)中，有時(shí)候NAND讀寫軟件也會(huì)作為跟操作系統(tǒng)緊密相關(guān)的軟件模塊，在主控芯片上運(yùn)行。如果使用硬盤(HD)作為存儲(chǔ)介質(zhì)，軟件系統(tǒng)稍簡(jiǎn)單。沒(méi)有復(fù)雜的NAND管理軟件，文件系統(tǒng)軟件直接控制硬盤的讀寫。

因?yàn)镹AND閃存的以上特性，SSD內(nèi)部的NAND管理軟件比較復(fù)雜。為了不使某些經(jīng)常發(fā)生寫操作的塊提前損壞，需要進(jìn)行寫均衡處理。文件系統(tǒng)軟件所識(shí)別的邏輯地址和物理地址是不同的，需要一個(gè)表把二者對(duì)應(yīng)起來(lái)。由于NAND擦除太慢，一般修改一內(nèi)容時(shí)不在原來(lái)的塊區(qū)更新，而是把新的內(nèi)容寫到一個(gè)新的塊區(qū)，舊塊區(qū)標(biāo)記為無(wú)效，等CPU空閑下來(lái)再擦除它。這樣，邏輯地址物理地址的對(duì)照表是不斷動(dòng)態(tài)更新的。這個(gè)表正比于SSD的總?cè)萘浚嬖贒DR DRAM里，另外在NAND里面也有相應(yīng)的標(biāo)記。隨著市場(chǎng)上SSD容量的迅速增加，這個(gè)表成為DRAM最大的消耗者。

文件系統(tǒng)軟件是操作系統(tǒng)軟件中的一個(gè)重要部分，負(fù)責(zé)解決文件的存儲(chǔ)問(wèn)題，含有接口包括創(chuàng)建文件、打開文件、讀取文件、寫入文件等。它會(huì)把文件劃分成一個(gè)個(gè)的塊，一般每一個(gè)塊和NAND閃存中的一個(gè)頁(yè)對(duì)應(yīng)。每當(dāng)一個(gè)新文件創(chuàng)建，文件系統(tǒng)軟件會(huì)分配給它一個(gè)塊，當(dāng)一個(gè)塊寫滿后，再分配一個(gè)新的塊。由于系統(tǒng)中很多文件都在增長(zhǎng)，一個(gè)文件中的不同的塊常常地址不連續(xù)。這就叫文件的碎片化。并且，一個(gè)文件刪除后，釋放出的空閑塊會(huì)被新的文件占用。所以，隨著產(chǎn)品的使用，文件的碎片化會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

本發(fā)明的重要背景是MRAM技術(shù)的發(fā)展。MRAM是一種新的內(nèi)存和存儲(chǔ)技術(shù)，可以像RAM一樣快速隨機(jī)讀寫，還可以像NAND閃存一樣在斷電后永久保留數(shù)據(jù)。不像NAND，MRAM可以無(wú)限多次地擦寫。但預(yù)計(jì)未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，MRAM的容量比NAND低，成本比NAND高。

如果使用硬盤，文件的碎片化是一個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)橛脖P的磁頭在尋找新的地址塊時(shí)需要很長(zhǎng)的時(shí)間，文件碎片化導(dǎo)致系統(tǒng)的性能顯著降低。