CN101777028A - 一种混合型二级存储系统的实现方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合型二级存储系统的实现方法及装置。该实现方法包括：步骤1，文件默认存储在磁盘中；步骤2，当所需的文件不在内存中时访问闪存，如果所需的文件不在闪存中，则访问磁盘，以获得该文件；步骤3，如果所需的文件存储于磁盘中并且被访问的频率达到预设值，则将该所需的文件缓存在闪存中；步骤4，当闪存中缓存的文件大小达到一定值时，选择某些文件写回磁盘。与现有技术相比，本发明能够以低成本实现大容量、低功耗的二级存储系统。
Description
技术领域
本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种混合型二级存储系统的实现方法及装置。
背景技术
随着社会经济的高速发展，能源供应难以满足发展需求，在开发新能源的同时，节省能源，保护环境也成了全人类的重要任务。在引领信息时代的计算机领域，低功耗设计开始倍受人们关注。在笔记本等使用电池的移动设备中，低功耗设计是延迟电池使用时间的主要途径。
近几十年来，磁盘一直占据计算机二级存储设备的主要地位，但是磁盘的机械特性导致它有较大的读写延迟，也使其成为电池能量的主要消耗者。为改善磁盘的读写延迟，人们提出了增大系统内存的方案，该方案可以降低磁盘访问次数，从而降低系统的I/O访问延迟，但是常用的内存设备DRAM的功耗也比较大。
Flash(闪存)则以其低功耗、非易失性和抗震动性等特点，得到广泛关注。随着半导体工艺的不断进步，Flash的可靠性越来越高，容量也逐渐增大，被广泛地应用到嵌入式和移动式设备中。但是现阶段可用的Flash设备，容量越大其价格也越高，其单位存储的价格仍然无法与磁盘匹敌，用Flash作为二级存储系统的主要设备在价格上显然没有优势。于是，实现低成本、高性能、低功耗的二级存储系统成为研究的热点。价格、容量和性能等因素之间的权衡问题触发了很多新的存储系统设计方案。很多研究者提出用Flash作数据缓存，作为DRAM内存的补充，但是这种方案，并不能有效降低磁盘的访问次数，当缓存失效或有将内存缓存与磁盘数据进行同步操作时还是会有较多的磁盘访问。也有研究者提出将Flash作为与磁盘并列二级存储设备，这种方法也没能有效降低磁盘的访问次数，并且在Flash与磁盘之间存在文件的反复搬移问题。
计算机系统中传统的一二级存储系统主要是由DRAM内存和磁盘组成，其结构如图1所示。其中占据二级存储主要地位的磁盘因其机械特性具有较大的I/O延迟，同时耗能巨大。Flash问世后，则以其低功耗、非易失性和抗震动性等特点，得到广泛关注。但是由于大容量的Flash价格很高，容量有限，现阶段还不适合取代磁盘作为二级存储设备。于是以低成本实现低功耗、高性能的二级存储系统的需求触发了多种存储系统设计方案的诞生。
很多研究者提出用Flash作数据缓存，作为DRAM内存的补充，其组成结构如图2所示。由于Flash的容量较DRAM来说比较大，这种方案，可以一定程度地降低磁盘的访问次数，但由于所有的文件访问操作还是在磁盘上进行，节能效果和文件访问性能提升效果并不明显。另外，另一种将Flash作为与磁盘并列二级存储设备的方案被提出，其组成结构图如图3所示。这种结构的典型机制中，文件是按读写访问的频繁度来分配的。将经常读的文件存放在Flash中，经常写的文件存放在磁盘中。这种结构中Flash上保存的文件不在磁盘中保留其副本。随着文件的读写频繁度的改变，Flash与磁盘之间便存在着频繁的文件的搬移，内存DRAM既访问Flash也访问磁盘，这样磁盘的访问次数也不能有效降低。
发明内容
为了解决上述的技术问题，提供了一种混合型二级存储系统的实现方法及装置，其目的在于，有效降低二级存储系统能耗，并能够改善系统的I/O访问时间。
本发明提供了一种混合型二级存储系统的实现方法，混合型二级存储系统包括一级存储和二级存储；其中内存作为一级存储，磁盘和闪存作为二级存储，闪存作为磁盘的文件级缓存；
该实现方法包括：
步骤1，文件默认存储在磁盘中；
步骤2，当所需的文件不在内存中时访问闪存，如果所需的文件不在闪存中，则访问磁盘，以获得该文件；
步骤3，如果所需的文件存储于磁盘中并且被访问的频率达到预设值，则将该所需的文件缓存在闪存中。
还包括步骤4，闪存中的文件缓存满时，按照预置的规则置换部分文件并写入到磁盘中。
在步骤1之前，将需要永久缓存的文件预先加载到闪存中。
步骤3包括：
步骤31，建立一个列表，用于记录磁盘中的文件被访问的次数；
步骤32，当所需的文件被访问的次数到达到预设值，将该所需的文件缓存到闪存中；
步骤33，删除该列表中所需的文件所对应的记录。
步骤4中，预置的规则按照闪存中的文件被访问的频率或者在特定时间段中的访问次数进行设置；闪存中的文件被访问的频率未达到预设的频率，则该文件被置换；闪存中的文件在特定时间段中的访问次数未达到预设的次数，则该文件被置换。
本发明提供了一种混合型二级存储系统的实现装置，混合型二级存储系统包括一级存储和二级存储；其中内存作为一级存储，磁盘和闪存作为二级存储，闪存作为磁盘的文件级缓存；
该实现装置还包括文件管理模块，用于将文件默认存储在磁盘中；当所需的文件不在内存中时访问闪存，如果所需的文件不在闪存中，则访问磁盘，以获得该文件；如果所需的文件存储于磁盘中并且被访问的频率达到预设值，则将该所需的文件缓存在闪存中。
文件管理模块，还用于在闪存中的文件缓存满时，按照预置的规则置换部分文件并写入到磁盘中。
文件管理模块，还用于将需要永久缓存的文件预先加载到闪存中。
文件管理模块，用于建立一个列表，以记录磁盘中的文件被访问的次数；当所需的文件被访问的次数到达到预设值，将该所需的文件缓存到闪存中；删除该列表中所需的文件所对应的记录。
预置的规则称为缓存替换算法，闪存中的文件被访问的频率未达到预设的频率，则该文件被置换；或者闪存中的文件在特定时间段中的访问次数未达到预设的次数，则该文件被置换。
与现有技术相比，本发明能够以低成本实现大容量、低功耗的二级存储系统。
附图说明
图1是计算机传统一二级存储系统组成结构；
图2是将Flash作二级内存数据缓存的存储系统结构；
图3是将Flash与磁盘并列作二级存储系统的示意图；
图4是混合型二级存储系统结构示意图；
图5是混合型二级存储系统结构的管理方法示意图。
具体实施方式
本发明提出的二级存储的实现方法，包括：
采用Flash与磁盘构成混合型二级存储系统，以充分利用磁盘的低成本、大容量特性与Flash的低功耗特性。
Flash作为磁盘的文件级缓存，充分利用文件访问局部性，使得多数的文件操作都可以在Flash进行，磁盘处于低功耗状态，以改善系统的功耗和性能。
Flash代替磁盘向系统提供绝大数的文件操作，只有在Flash文件缓存失效时才会访问磁盘，以减少磁盘访问次数。
Flash作为独立的非易失性二级存储设备，可以被单独使用。
所述的文件级缓存较传统的数据缓存包括：
所述文件级缓存以文件为单位对磁盘中的文件子集进行缓存，区别于传统以块为单位的缓存方式，这有利于用Flash代替磁盘向系统提供文件访问操作。
文件级的缓存管理与传统的块缓存管理方法不同，缓存不命中时，磁盘文件不一定读取到Flash中，只有某磁盘文件的访问足够频繁时该文件才会被缓存到Flash中。
所述的Flash文件级缓中可存放的文件数目是不定的，缓存中可以存放的文件数量与Flash容量大小以及文件的大小有关。是否引发缓存文件替换操作由Flash缓存的实际可用存储空间决定。
缓存文件选择算法以及缓存文件替换算法，以管理文件的分配，提高文件缓存的命中率。
所述二级存储系统的节能管理机制可在有节能需求的计算机系统，特别是移动设备上得到广泛应用。
如图4所示，二级存储系统的低功耗实现方法采用Flash与磁盘构成混合型二级存储系统，且其中Flash作为磁盘的文件级缓存，代替磁盘向系统提供绝大数的文件操作，尽量减少磁盘的访问次数。
已有的研究结果显示，系统在一个24小时的时间段内访问的文件数仅占所有文件的5％，即系统短时间内访问的文件具有良好的局部性。利用上述文件访问的局部性原理，将磁盘中访问频繁的文件缓存到Flash中，用Flash代替磁盘向系统提供访问文件的操作，那么磁盘便可降低转速节省能耗。
所述的二级存储系统的节能管理方法采用Flash作为磁盘的文件级缓存。这里文件默认被存放在磁盘上，当发现某文件访问频繁时，将该文件的副本存放在Flash中，并称这些访问频繁的文件为热文件。为更好地发掘文件的局部性，文件系统会纪录每个文件的访问历史，将访问频繁的热文件存到Flash中。当系统所需数据不在内存DRAM中时，二级存储系统将被访问，大多数情况下文件访问操作在Flash中实现，而磁盘可降低转速以节省能耗。但是当Flash文件缓存失效时，磁盘将提高转速实现文件访问，如果导致文件缓存失效的是热文件，那么它将被缓存到Flash中。当Flash文件缓存满时，某些文件将被置换并写入到磁盘中去。
Flash的容量越大则文件缓存的命中率就高，二级存储的节能效果及I/O访问延迟的改进情况就越显著。但是越大的Flash容量也意味着越高的价格，这时就需要在价格、能耗及性能等方面做出权衡。另外，缓存和置换算法也很重要，好算法能够很好地发掘文件访问的局部性。
缓存文件的选择算法决定了哪些文件将被缓存到Flash中。本机制采用静态选择与动态选择结合的方法实现缓存文件的选择。静态选择是指在系统启动时将那些需要永久缓存的文件预先加载到Flash中，这些文件一般包括操作系统文件，编译器以及一些库文件。动态选择是指在系统运行过程中逐步发现热文件并将它缓存到Flash中。发现热文件的方法有很多种，所述节能管理方法参考文件访问的历史信息来实现。本发明中给出一个发现热文件算法实例，其具体步骤如下所示：
步骤一：为访问过且没有被缓存到Flash中的文件建立一个LRU(LeastRecently Used)列表；
步骤二：LRU成员的个数是由某个预先定义的数值来限定；
步骤三：在LRU列表的成员中纪录相关文件的访问历史信息，例如其访问次数；
步骤四：当文件被访问一次其访问次数就会加1；
步骤五：当文件所对应的访问次数到达预先定义的某个值时，该文件被认为是热文件，并被缓存到Flash中；
步骤六：当文件被缓存到Flash中后，其将在LRU列表中被删除。
当Flash中的空闲空间减小到总容量的一定比例，如10％，或者所剩空间不足以缓存下一个热文件时，其中的某些文件将需要被置换出去。可用的置换算法有多种，这里不作特别限定，列出两种置换算法的实例。
第一种是最近最少使用LRU算法。Flash缓存中的文件维护在一个LRU链表中，当Flash空间不足需要换出文件时，可替换文件从LRU链表的末尾进行选择。LRU算法侧重于最近的访问情况，没有考虑到访问的频繁性。
第二种是以LRU算法为基础的基于访问频率的置换算法FBR(Frequency-Based Replacement)。该算法不仅考虑到最近访问情况也考虑到文件访问的频率。FBR算法的基本思想如图5所示。为Flash中缓存的文件创建一个记录访问历史信息链表，如图5中的50所示，其中每个成员54对应一个被缓存的文件，其中有纪录该文件访问信息的count值。整个链表从头到尾被分成三个部分，分别是新区，如51所示；中间区，如52所示；旧区，如53所示。置换算法的基本思想如下：
当文件刚被缓存时，链表中相应的新成员被创建，其count值被初始化为1，并将给成员插入到链表头部的新区中；
处在新区的文件被访问时，其count值将不改变，但是对应得列表成员将被提到链表头；
当最新被访问的文件位于中间区或者旧区时，其count值加1，并将其提到链表头；
当Flash因空闲空间问题需要置换其间的文件时，链表旧区中count值最小的成员所对应的文件将被置换出去；
如图5所示，B1，B2标志着链表的分区边界，这里可有多种方法来分区，所述的节能管理机制采用预先定义各区在链表中所占比例的方法实现，由于Flash中缓存文件的数量是不断变化的，所以B1，B2的值也会动态变化。
该系统的设计和管理方法具有以下特点：
1)采用Flash与磁盘构成混合型二级存储系统；
2)Flash作为磁盘的文件级缓存；
3)Flash代替磁盘向系统提供绝大数的文件操作，只有在Flash文件缓存失效时才会访问磁盘；
4)Flash作为独立的非易失性二级存储设备，可以被单独使用。
本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。
Claims (10)
1.一种混合型二级存储系统的实现方法，其特征在于，混合型二级存储系统包括一级存储和二级存储；其中内存作为一级存储，磁盘和闪存作为二级存储，闪存作为磁盘的文件级缓存；
该实现方法包括：
步骤文件默认存储在磁盘中；
步骤2，当所需的文件不在内存中时访问闪存，如果所需的文件不在闪存中，则访问磁盘，以获得该文件；
步骤3，如果所需的文件存储于磁盘中并且被访问的频率达到预设值，则将该所需的文件缓存在闪存中。
2.如权利要求1所述的混合型二级存储系统的实现方法，其特征在于，还包括步骤4，闪存中的文件缓存满时，按照预置的规则置换部分文件并写入到磁盘中。
3.如权利要求1所述的混合型二级存储系统的实现方法，其特征在于，在步骤1之前，将需要永久缓存的文件预先加载到闪存中。
4.如权利要求1所述的混合型二级存储系统的实现方法，其特征在于，步骤3包括：
步骤31，建立一个列表，用于记录存储于磁盘中的所需的文件被访问的次数；
步骤32，当所需的文件被访问的次数到达到预设值，将该所需的文件缓存到闪存中；
步骤33，删除该列表中所需的文件所对应的记录。
5.如权利要求2所述的混合型二级存储系统的实现方法，其特征在于，步骤4中，预置的规则按照闪存中的文件被访问的频率或者在特定时间段中的访问次数进行设置；闪存中的文件被访问的频率未达到预设的频率，则该文件被置换；闪存中的文件在特定时间段中的访问次数未达到预设的次数，则该文件被置换。
6.一种混合型二级存储系统的实现装置，其特征在于，混合型二级存储系统包括一级存储和二级存储；其中内存作为一级存储，磁盘和闪存作为二级存储，闪存作为磁盘的文件级缓存；
该实现装置还包括文件管理模块，用于将文件默认存储在磁盘中；当所需的文件不在内存中时访问闪存，如果所需的文件不在闪存中，则访问磁盘，以获得该文件；如果所需的文件存储于磁盘中并且被访问的频率达到预设值，则将该所需的文件缓存在闪存中。
7.如权利要求6所述的混合型二级存储系统的实现装置，其特征在于，文件管理模块，还用于在闪存中的文件缓存满时，按照预置的规则置换部分文件并写入到磁盘中。
8.如权利要求6所述的混合型二级存储系统的实现装置，其特征在于，文件管理模块，还用于将需要永久缓存的文件预先加载到闪存中。
9.如权利要求6所述的混合型二级存储系统的实现装置，其特征在于，文件管理模块，用于建立一个列表，以记录存储于磁盘中的所需的文件被访问的次数；当所需的文件被访问的次数到达到预设值，将该所需的文件缓存到闪存中；删除该列表中所需的文件所对应的记录。
10.如权利要求7所述的混合型二级存储系统的实现装置，其特征在于，预置的规则为闪存中的文件被访问的频率未达到预设的频率，则该文件被置换；或者闪存中的文件在特定时间段中的访问次数未达到预设的次数，则该文件被置换。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100714 |