CN102521144B - 一种闪存转换层系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种闪存转换层系统，涉及闪存存储领域。所述闪存转换层系统包括：地址转换模块和写操作处理模块；地址转换模块，用于实现逻辑地址到物理地址的转换，并且在所述系统中，物理块包括数据块、日志块和空闲块，逻辑块与数据块一一对应，每个逻辑块最多对应两个日志块，每个日志块对应多个逻辑块；写操作处理模块，用于处理对闪存介质的写操作。所述闪存转换层系统，在垃圾收集频率和垃圾收集过程的数据拷贝量之间实现平衡，降低垃圾收集过程中的擦写次数和数据拷贝量，在保证闪存寿命的同时，提高了闪存的性能。

Description

一种闪存转换层系统
技术领域
本发明涉及闪存存储技术领域，特别涉及一种闪存转换层系统。
背景技术
闪存具有随机访问速度快、抗震动、能耗低等优点。近年来，随着闪存存储容量的增加以及价格的降低，闪存得到了越来越广泛的应用。在大量桌面计算机中，已经装备了以闪存为介质的固态硬盘。然而，闪存的存储单元只有在擦除后才能写数据，因此不能执行本地更新操作。此外，闪存的存储单元擦除次数也是有限的。闪存转换层用于为逻辑地址提供地址转换功能，从而可以将数据在异地更新，提高闪存的性能和寿命。按照转换粒度，地址转换方法有三类：页粒度的转换，块粒度的转换，块页混合转换。其中，块页混合转换是三者中最好的。在块页混合的闪存转换层中，最典型的是基于日志块的闪存转换层。然而，当前基于日志块的大部分闪存转换层中，日志块的共享存在两个极端，即要么是被一个逻辑块单独使用，要么是被所有的逻辑块共享。当一个日志块被一个逻辑块单独使用时，会导致频繁的垃圾收集；当一个日志块被所有逻辑块共享使用时，会导致每次垃圾收集过程中伴随有大量的数据拷贝，影响闪存性能。因此，提供一种更加灵活的日志块共享的闪转换层系统，降低垃圾收集的擦写次数和数据拷贝量，在保证闪存寿命的同时，提高闪存的性能，成为重要的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种闪存转换层系统，以在保证闪存寿命的同时，提高闪存的性能。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种闪存转换层系统，其包括：地址转换模块和写操作处理模块；所述地址转换模块，用于实现逻辑块的逻辑页号到物理块的物理页号的转换；其中，物理块包括数据块、日志块和空闲块，逻辑块与数据块一一对应，每个逻辑块最多对应两个日志块，每个日志块对应多个逻辑块；所述写操作处理模块，用于处理对闪存介质的写操作。
优选地，所述地址转换模块包括：页粒度转换子模块和块粒度转换子模块；所述页粒度转换子模块，用于实现存储在所述日志块上的数据对应的逻辑页到物理页的转换；所述块粒度转换子模块，用于实现存储在所述数据块上的数据对应的逻辑页到物理页的转换。
优选地，所述页粒度转换子模块，采用哈希链表进行逻辑页到物理页的映射管理，以实现存储在所述日志块上的数据对应的逻辑页到物理页的转换。
优选地，所述块粒度转换子模块，通过存储所述逻辑块对应的数据块的块号，以实现存储在所述数据块上的数据对应的逻辑页到物理页的转换。
优选地，所述写操作处理模块包括：日志块列表维护子模块、日志块分配子模块和垃圾收集子模块；所述日志块列表维护子模块，用于采用链表对所述日志块进行维护；所述日志块分配子模块，用于分配对应所述逻辑块的日志块；所述垃圾收集子模块，用于回收所述日志块，释放所述空闲块。
优选地，所述日志块列表维护子模块，按照最近最少使用算法，采用链表对所述日志块进行维护。
优选地，所述日志块分配子模块，用于在所述逻辑块没有日志块或者所述逻辑块对应的两个日志块均被写满的情况下，为所述逻辑块分配日志块。
优选地，所述垃圾收集子模块，用于在所述逻辑块对应的两个日志块均被写满且需要继续更新该逻辑块的数据，或者所述系统中需要分配一个空闲块但空闲块总数低于预设阈值并且所有日志块均被写满的情况下，回收相应的日志块，以释放所述空闲块。
优选地，所述预设阈值的数值为2或者3。
(三)有益效果
本发明所述闪存转换层系统，其地址转换模块采用逻辑块与数据块一一对应，每个逻辑块最多对应两个日志块，每个日志块对应多个逻辑块的地址映射方式，写操作处理模块在上述地址映射方式基础上实现写操作，从而在垃圾收集频率和垃圾收集过程的数据拷贝量之间实现平衡，降低垃圾收集过程中的擦写次数和数据拷贝量，在保证闪存寿命的同时，提高了闪存的性能。。
附图说明
图1是本发明实施例所述闪存转换层系统模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明实施例所述闪存转换层系统模块结构示意图。如图1所示，所述系统包括：地址转换模块100和写操作处理模块200。所述地址转换模块100，用于实现逻辑块的逻辑页号到物理块的物理页号的转换；其中，物理块包括数据块、日志块和空闲块，逻辑块与数据块一一对应，每个逻辑块最多对应两个日志块(本实施例中对应两个日志块：第一日志块和第二日志块)，每个日志块对应多个逻辑块。所述写操作处理模块200，用于处理对闪存介质300的写操作。
所述地址转换模块100包括：页粒度转换子模块101和块粒度转换子模块102。所述页粒度转换子模块101，用于实现存储在所述日志块上的数据对应的逻辑页到物理页的转换；所述块粒度转换子模块102，用于实现存储在所述数据块上的数据对应的逻辑页到物理页的转换。
具体地，所述页粒度转换子模块101在缓存中采用哈希链表进行逻辑页到物理页的映射管理。所述页粒度转换子模块101维护1023个链表，每个链表中的一个表项存储了一个逻辑页号以及该逻辑页对应的物理页号。当查找一个逻辑页时，首先得到该逻辑页号的最后10比特对应的整数值，该整数值就是该1023个链表的索引，从该整数值可以得到某个确定的链表，然后在该链表中查找该逻辑页的表项并得到对应的物理页。所述块粒度转换子模块，在缓存中存储每个逻辑块对应的数据块的块号。
在所述地址转换模块100中，当需要查找一个逻辑页对应的物理页时，首先在所述页粒度转换子模块101中查找该逻辑页的物理页地址。如果在所述页粒度转换子模块101中不能找到，则再到所述块粒度转换子模块102中查找。
在所述块粒度转换子模块102中，首先根据逻辑页所属的逻辑块得到数据块的块号；然后得到逻辑页在数据块中的偏移地址；最后检查数据块中相应偏移地址处的数据是否有效。如果有效，则数据块中相应偏移地址即为该逻辑页的物理地址；否则，该逻辑页的有效数据不在数据块中，即该逻辑页在闪存上还没有有效数据。
所述块粒度转换子模块102中查找逻辑页对应的物理页的过程，可以概括为如下公式：
物理页号＝数据块号×每个块中的页数+偏移地址；
偏移地址＝逻辑页号％每个块中的页数。
需要说明的是，逻辑块和数据块的容量相同，即逻辑块中包含的逻辑页数量同于数据块中包含的物理页数量，逻辑页的容量同于物理页的容量。
在所述地址转换模块100中，当需要更新一个逻辑页对应的物理页时，首先在所述页粒度转换子模块101中查找该逻辑页的表项。如果能够找到，则将该表项中对应的物理页地址更新；否则在所述页粒度转换子模块101中插入一条新的表项，记录该逻辑页对应的物理页地址。
在所述地址转换模块100中，当需要更新一个逻辑块对应的数据块时，首先在所述页粒度转换子模块101中查找该逻辑块所包含的所有逻辑页的表项。如果能够找到，则将这些表项删除，然后在所述块粒度转换子模块102中更新该逻辑块对应的数据块的块号；否则，直接在所述块粒度转换子模块102中更新该逻辑块对应的数据块的块号。
所述写操作处理模块200包括：日志块列表维护子模块201、日志块分配子模块202和垃圾收集子模块203。所述日志块列表维护子模块201，用于采用链表对所述日志块进行维护；所述日志块分配子模块202，用于分配对应所述逻辑块的日志块；所述垃圾收集子模块203，用于回收所述日志块，释放所述空闲块。
具体地，在所述写操作处理模块200中，当需要写一个逻辑页时，首先调用所述地址转换模块100查找该逻辑页对应的物理页，如果能够找到，则将该物理页的数据标记为无效；否则，说明该逻辑页之前在闪存上还没有有效数据，这时检查该逻辑页对应的逻辑块是否具有第一日志块。如果没有第一日志块，则调用所述日志块分配子模块102分配一个空闲块作为第一日志块，并将数据写在该第一日志块的第一个空闲页上；如果有第一日志块，则检查第一日志块是否还有空闲页。如果有空闲页，则将数据写到第一日志块的第一个空闲页上；如果没有空闲页，则检查该逻辑页对应的逻辑块是否具有第二日志块。如果没有第二日志块，则使用所述日志块分配子模块102分配一个第二日志块，并将数据写在第二日志块的第一个空闲页上；如果有第二日志块，而且第二日志块上具有空闲页，则将数据写到第二日志块的第一个空闲页上；如果有第二日志块，但是第二日志块上没有空闲页，则调用所述垃圾收集子模块203回收该逻辑块的第一日志块和第二日志块，然后调用所述日志块分配子模块202分配一个空闲块作为新的第一日志块，将数据写到该新的第一日志块的第一个空闲页上。上述任何一种情况下，将数据写到日志块上后，均通知所述地址转换模块100将该逻辑页对应的物理页更新。
在所述日志块列表维护子模块201中，按照最近最少使用算法对所有日志块使用链表进行维护，即当对某个日志块进行写操作时，将该日志块移动到日志块链表的头部。
在所述日志块分配子模块202中，当需要分配一个日志块时，首先试图分配一个空闲块；如果系统中剩余空闲块总数低于预设阈值，则从所述日志块链表的尾部开始，查找一个具有空闲页的日志块。如果不能找到，说明所有日志块都没有空闲页，此时调用所述垃圾收集子模块203回收所述日志块链表最后一个日志块，并分配一个空闲块作为返回的日志块；如果能找到，则将该具有空闲页的日志块作为返回的日志块。所述预设阈值至少为2，即所述系统中至少保持剩余一个空闲块。
在所述垃圾收集子模块203中，当需要回收某逻辑块的第一日志块、第二日志块时，首先由所述垃圾收集子模块203，分配一个空闲块作为该逻辑块的新的数据块，并将该逻辑块的所有数据(该逻辑块对应的旧的数据块上数据，以及该逻辑块对应的日志块上的数据)都拷贝到该空闲块上，然后擦除该逻辑块的旧的数据块，通知所述地址转换模块100更新该逻辑块对应的数据块；之后对该逻辑块对应的第一日志块、第二日志块上所有其他有效数据所属的逻辑块(后简称第一连带逻辑块)，都分配一个空闲块作为所述第一连带逻辑块的新的数据块，并把所述第一连带逻辑块的所有有效数据拷贝到新的数据块上，并擦除所述第一连带逻辑块对应的旧的数据块，并通知所述地址转换模块100更新所述第一连带逻辑块对应的数据块；最后擦除第一日志块、第二日志块。至此，完成对该逻辑块的第一日志块和第二日志块的回收过程。通过这个过程，可以得到两个空闲块，从而所述日志块分配子模块202可以分配一个空闲块作为新的第一日志块。当需要回收日志块链表的最后一个日志块时，对该日志块上的所有有效数据所属的逻辑块(后简称第二连带逻辑块)，所述垃圾收集子模块203都分配一个空闲块作为所述第二连带逻辑块的新的数据块，并把所述第二连带逻辑块的所有有效数据拷贝到新的数据块上，并擦除所述第二连带逻辑块的旧数据块，并通知所述地址转换模块100更新所述第二连带逻辑块的数据块；最后擦除日志块链表的最后一个日志块。通过这个过程，可以得到一个空闲块。
本发明实施例所述闪存转换层系统，其地址转换模块采用逻辑块与数据块一一对应，每个逻辑块最多对应两个日志块，每个日志块对应多个逻辑块的地址映射方式，写操作处理模块在上述地址映射方式基础上实现写操作，从而在垃圾收集频率和垃圾收集过程的数据拷贝量之间实现平衡，降低垃圾收集过程中的擦写次数和数据拷贝量，在保证闪存寿命的同时，提高了闪存的性能。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种闪存转换层系统，其特征在于，包括：地址转换模块和写操作处理模块；所述地址转换模块，用于实现逻辑块的逻辑页号到物理块的物理页号的转换；其中，物理块包括数据块、日志块和空闲块，逻辑块与数据块一一对应，每个逻辑块最多对应两个日志块，每个日志块对应多个逻辑块；所述写操作处理模块，用于处理对闪存介质的写操作；
所述地址转换模块包括：页粒度转换子模块和块粒度转换子模块；所述页粒度转换子模块，用于实现存储在所述日志块上的数据对应的逻辑页到物理页的转换；所述块粒度转换子模块，用于实现存储在所述数据块上的数据对应的逻辑页到物理页的转换；
所述写操作处理模块包括：日志块列表维护子模块、日志块分配子模块和垃圾收集子模块；所述日志块列表维护子模块，用于采用链表对所述日志块进行维护；所述日志块分配子模块，用于分配对应所述逻辑块的日志块；所述垃圾收集子模块，用于回收所述日志块，释放所述空闲块；
在所述写操作处理模块中，当需要写一个逻辑页时，首先调用所述地址转换模块查找该逻辑页对应的物理页，如果能够找到，则将该物理页标记为无效；否则，说明该逻辑页之前在闪存上还没有存储，这时检查该逻辑页对应的逻辑块是否具有第一日志块；这包括如下情况：如果没有第一日志块，则调用所述日志块分配子模块分配一个空闲块作为第一日志块，并将数据写在该第一日志块的第一个空闲页上；如果有第一日志块，则检查第一日志块是否还有空闲页；如果有空闲页，则将数据写到第一日志块的第一个空闲页上；如果没有空闲页，则检查该逻辑页对应的逻辑块是否具有第二日志块；如果没有第二日志块，则使用所述日志块分配子模块分配一个第二日志块，并将数据写在第二日志块的第一个空闲页上；如果有第二日志块，而且第二日志块上具有空闲页，则将数据写到第二日志块的第一个空闲页上；如果有第二日志块，但是第二日志块上没有空闲页，则调用所述垃圾收集子模块回收该逻辑块的第一日志块和第二日志块，然后调用所述日志块分配子模块分配一个空闲块作为新的第一日志块，将数据写到该新的第一日志块的第一个空闲页上；上述任何一种情况下，将数据写到日志块上后，均通知所述地址转换模块将该逻辑页对应的物理页更新。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述页粒度转换子模块，采用哈希链表进行逻辑页到物理页的映射管理，以实现存储在所述日志块上的数据对应的逻辑页到物理页的转换。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述块粒度转换子模块，通过存储所述逻辑块对应的数据块的块号，以实现存储在所述数据块上的数据对应的逻辑页到物理页的转换。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述日志块列表维护子模块，按照最近最少使用算法，采用链表对所述日志块进行维护。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述日志块分配子模块，用于在所述逻辑块没有日志块或者所述逻辑块对应的两个日志块均被写满的情况下，为所述逻辑块分配日志块。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述垃圾收集子模块，用于在所述逻辑块对应的两个日志块均被写满且需要继续更新该逻辑块的数据，或者所述系统中需要分配一个空闲块但空闲块总数低于预设阈值并且所有日志块均被写满的情况下，回收相应的日志块，以释放所述空闲块。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述预设阈值的数值为2或者3。
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