CN102841855A - 具有内嵌地址间接性元数据存储的存储设备 - Google Patents

Abstract

描述了一种方法，该方法允许磁盘驱动器，诸如迭瓦写入式记录（SMR）驱动器在紧急断电（EPO）之后恢复将LBA映射到PBA的间接性地址表。间接性地址表（IAT）快照与用户数据存储内嵌地周期性地写入，并且在一个实施例中具有增量地址更新信息的累加变量增量列表（CDL）存储在快照之间。在本发明的实施例中，当检测到即将来临的断电时，覆盖了IAT更新但还没有写入到盘的当前CDL保存到非易失性存储器。与CDL的组结合的IAT快照提供在紧急断电之后恢复电源时重建当前的间接性地址表所需的信息。在一个替换的实施例中CDL通过包括在编码地址间接性映射和最后快照ID的扇区中的元数据而被排除。

Description

具有内嵌地址间接性元数据存储的存储设备

相关申请的交叉引用

本申请涉及2011年5月23日提交的临时专利申请，序列号为61/489174，并且按照35U.S.C119（e）要求该临时申请的利益。

技术领域

本发明涉及使用用于将物理存储位置映射到逻辑地址的间接性的数据存储设备架构的领域，并且更具体地涉及在迭瓦写入式磁记录（SMR）设备中使用的这样的间接性。

背景技术

具有磁介质的传统的磁盘驱动将数据组织在空间上分离的同心轨道中。迭瓦写入（shingled write）的概念是垂直磁记录的形式并且已经作为提高磁记录的面密度的方法提出。在迭瓦写入式磁记录（SMR）介质中相邻轨道的区域（带）被写入使得覆盖一个或多个先前写入的轨道。不同于传统的分离的轨道，迭瓦式轨道必须顺序写入，而传统的分离的轨道可以按照任何顺序写入。磁盘表面上的轨道组织为多个迭瓦式区域（也称为I区域），其可以从内径（ID）到外径（OD）或从OD到ID顺序写入。在一区域中迭瓦在一起的轨道的数量是迭瓦写入的关键的性能参数。一旦按照迭瓦结构写入，单独的轨道不能够适当地更新，因为那将重写并毁坏重叠轨道。因此，迭瓦写入式数据轨道从用户的角度来看，有时认为是类似仅附加的日志。为了提高SMR驱动的性能，将一部分介质分配给所谓的“排除区域”（E区域），该区域用作用于最终将写入到I区域的数据的分段区域（staging area）。E区域有时也称为E缓冲。

在迭瓦写入式存储设备的内部架构中的地址间接性对于至少在某种程度上模拟现有的主机接口并且将主机从与SMR关联的复杂性屏蔽是有用的。现有的主机文件系统在读和写数据块的命令中使用逻辑块地址（LBA），而不考虑由存储设备内部使用的实际的位置（物理块地址（PBA））。其中，硬盘驱动对于数十年具有一些等级的LBA-PBA间接性，允许盘上坏的扇区重新映射到为此目的已经保留的好的扇区。地址间接性典型地在驱动器的架构的控制器部分中实现。控制器将主机命令中的LBA翻译到内部的物理地址，或者与物理地址类似的东西。

用于缺陷的现有的LBA-PBA映射不需要经常改变。相反，在SMA设备中逻辑块地址（LBA）的物理块地址（PBA）可以取决于写入历史而改变。例如，后台处理（诸如垃圾收集）将数据扇区从一个PBA移动到另一个但是LBA保持相同。SMR的间接性系统本来是动态系统，其中控制器将主机地址请求翻译到物理位置。在SMR系统中，LBA-PBA映射随着每个写入操作而改变，因为系统动态地确定在介质上的物理位置，在该位置将写入用于LBA的主机数据。在下次主机LBA更新时相同的LBA将写入到不同的位置。间接性系统提供在主机LBA和介质上的当前物理位置之间的动态翻译层。

存储设备的设计必须提供对于在紧急断电之后可恢复的间接性地址映射方案，因此逻辑块地址（LBA）到物理位置的映射必须记录在永久介质中。现有技术中的文件系统在盘上为元数据存储维持一个单独区域用于跟踪LBA位置。然而，这样的解决方案展示了对于盘驱动的差的性能，由于其要求对元数据区域和来自元数据区域的附加的寻找。

处理盘驱动RAM缓冲的现有技术的方法必须提供对功率损耗（断电）问题的解决方案。在对Hall（2002年4月23日）的US专利6378037中，故障安全的写入缓冲使用盘表面的特别安排的部分以在驱动空闲时间期间存储写缓冲数据。在系统或电源故障的情况下在数据写入其最终盘目的地之前，数据可以从特别安排的部分读出以生效没有数据损失的恢复。

发明内容

本发明的实施例允许盘驱动（诸如迭瓦写入式磁记录（SMR）驱动）在紧急断电（EPO）之后在无需在盘上的保留位置频繁备份全部间接性地址表的情况下恢复LBA到PBA的间接性地址表映射。本发明的实施例周期性地存储间接性地址表（IAT）快照并且然后沿着具有写入了用户数据的实际扇区的相同轨道（或附近轨道）存储在快照之间的增量地址元数据更新信息，其可以称为累加变量增量列表（Cumulative Delta List）。这消除了需要对盘上的保留的元数据区域和来自盘上的保留的元数据区域的附加寻找来保存IAT的问题。可以利用对在E区域中的用户数据的临时存储或分段而使用的环形缓冲技术来使用本发明。IAT快照和累加变量增量列表基于I/O操作（例如，在预定数量的写入之后）周期性地写入到介质。累加变量增量列表（CDL）可以在IAT快照之间写入多次并且每个CDL通过唯一标识符链接到最后的快照。每个CDL仅包括自最后一次保存CDL以来的地址变量增量（Delta）。

在本发明的实施例中，当探测到即将来临的断电时，覆盖了IAT更新但是还没有写入到盘的当前的累加变量增量列表被保存到预定的非易失性存储器（诸如闪存）。与一组累加变量增量列表组合的IAT快照提供当紧急的断电之后恢复电源时重新创建当前的间接性地址表所需的信息。在紧急的断电之后驱动器的上电例程通过找到写入到介质的最后的IAT快照并且然后使用写入在盘上的相应组的累加变量增量列表和写入到闪存的最后一个来更新最后的IAT快照，从而更新间接性地址表。

在一个实施例中，累加变量增量列表写入到使用整个数据块的标准用户数据块（例如扇区）区域。包含了累加变量增量列表的扇区散布在用户数据扇区中。注意到由设备对于其元数据使用的扇区不具有在IAT中分配的LBA，并且因此在正常操作中对于主机是不可见的。

在替换的实施例中，累加变量增量列表通过在编码地址间接性映射和最后的快照ID的设备的扇区中包括元数据而被排除。

附图说明

图1示出了按照本发明实施例的具有间接性系统的数据存储设备。

图2示出了如按照本发明实施例所使用的介质上的环形缓冲。

图3示出了按照本发明实施例的累加变量增量列表的内容。

图4示出了按照本发明的替换实施例的包括了时间戳的累加变量增量列表的内容。

图5A示出了按照本发明的替换实施例的扇区元数据结构的内容。

图5B示出了按照本发明的替换实施例的包括了时间戳的扇区元数据结构的内容。

图6示出了按照本发明的实施例的写入IAT快照和CDL的方法。

图7示出了按照本发明的实施例的使用IAT快照和CDL在紧急断电之后来重建IAT的方法。

具体实施方式

图1示出了按照本发明实施例的使用具有包括单一间接性地址表（IAT）17的间接性系统16的SMR的数据存储设备（DSD）10。主机发送读写命令，所述命令参考标准逻辑块地址（LBA）。在典型的SMR驱动架构中，LBA可以分配给E区域或I区域，其使得任务间接性映射复杂化。在实际应用中期望对于维持间接性表的问题的不同方法。例如，一种方法是保持两个间接性表：将LBA映射到E区域或映射到I区域的一个表和将LBA映射到在I区域内部的I轨道的第二个表。在此描述的本发明的实施例允许在包括了使用多个表的间接性表管理的各种方法之中写入内嵌（inline）用户数据的间接性表信息。然而，在所述的实施例中，仅参考一个间接性表。附加的表可以按照类似的方式来处理或者可以使用完全不同的方法来存储。例如，如果表之一由于其覆盖E区域而更频繁地更新，其可以按照本发明来处理，而不那么频繁地更新的第二个表可以使用需要更多开销的方法来处理。

间接性系统16将LBA翻译到用于设备内部使用的物理块地址（PBA）中。间接性系统16例如可以作为功能组件在DSD 10的控制器部分中实现。间接性系统16除了在此描述的之外按照现有技术工作，并且间接性系统执行现有技术功能的方面没有示出。在设备正常操作期间，对应于LBA的当前的PBA在RAM中的间接性地址表（IAT）17中找到。如上面所述，IAT随着在SMR驱动器中的每个写入操作而改变。因为在RAM中的IAT当断电时遭受损失。然而，间接性地址表（IAT）的内容必须在紧急的断电之后从永久的介质恢复，否则的话数据永久丢失。在盘上的保留位置处全部间接性地址表的频繁备份不是现实的解决方案，因为附加的I/O会导致差的性能。在SMR写入中包括元数据写入，其应当对于最佳性能顺序化。本发明允许IAT元数据在轨道上与用户数据一起写入E区域中，用户数据在写入到I区域之前临时存储在E区域中。在SMR中每个盘表面典型地具有专门用作E区域的至少一个轨道带。这批轨道将组织到I区域中。

本发明的实施例沿着与写入了用户数据的实际扇区相同轨道（或附近的轨道）将间接性地址表（IAT）快照17A、17B存储在E区域中，并且因此允许与一般E区域使用的有效集成。盘12A、12B上的多个同心轨道没有示出并且除了此处描述的之外按照现有技术。间接性地址表（IAT）快照是此时的当前IAT的副本。唯一IAT快照ID（未示出）包括在每个快照中从而在恢复处理期间可以识别最后一个快照。IAT快照ID可以是计数器，该计数器具有足够大的范围以避免在旧的和新的快照之间的混淆。范围应当覆盖在写入盘上的全部迭瓦式I区域的时间中执行的快照的数量。

尽管仅要求IAT的单个快照复制，如示出的在不同盘12A、12B上做出两个或多个副本具有当副本之一由于包括磁头或整个盘表面的损失的任何原因而不可恢复时提供冗余的优点。存储间接性结构的多个副本可以允许设备利用剩余的未损坏数据合适地操作。通过即使在不具有允许同时写入到两个盘的多个通道的设备的典型情况下切换磁头，额外的副本可以有效地写入到附加的盘上的E区域中。

如上所述，由设备执行的下一个写入操作将不反应在最后的快照中。因此，当执行每个附加写入操作时介质上的快照落在当前IAT后面。不是对于每个写入操作重新写入整个IAT（其可能是相当大的），本发明创建并周期性地写入在快照之间的增量元数据更新信息。增量更新信息被称为累加变量增量列表（CDL）18，其保存在RAM中。在那里多个CDL可以在IAT快照之间写入到介质。CDL的最大尺寸确定了写入的频度。每个CDL写入通过包括IAT快照ID而链接到最后的IAT快照。每个CDL写入如果其是快照之后的第一CDL则由于最后的CDL写入或由于IAT快照而包括地址变量增量。

IAT快照写入到介质的频率是实现本发明时的设计选择。快照频率隐含了在散布的实施例中在EPO恢复时间和分配给CDL存储的存储量之间的折衷。在一个实施例中，快照写入在写入操作的选择的数量之后触发。类似地，在CDL中变量增量的数量是具有折衷的设计选择。写入直到CDL变量增量写入为止才进行，从而更大的CDL隐含能够存在的未执行的写入的更高的最大数量。

尽管本发明与E区域架构的环形缓冲实施例兼容，但是本发明不要求使用环形缓冲。因为本发明允许IAT快照和CDL与用户数据内嵌地写入，所以可以利用其他E区域结构来使用本发明。

图2示出如按照本发明的实施例所使用的在E区域中在介质上的环形缓冲21。环形缓冲的头和尾指针的管理根据现有技术。“安全写入”25是写入到介质轨道的一系列用户数据扇区。在安全写入之后，写入IAT快照17A。正是快照的写入使得通过记录包括了用于这些写入的PBA-LBA映射的IAT快照而使得之前的写入“安全”。“未执行的写入”26是在IAT快照之后做出的用户数据写入。保存在RAM中的CDL 18当每个写入发生时更新。环形缓冲中的CDL 18A在一系列“未执行的写入”26之后写入并且包含用于每个未执行的写入的变量增量ID项。在该实施例中，CDL当变量增量ID的数量达到预定的数量时写入，该数量例如填充分配的RAM空间（缓冲）。如果IAT快照如上所述写入到多个盘上，则CDL 18A、18B也应当写入到多个盘上。

图3示出了按照本发明的实施例当写入到介质时累加变量增量列表（CDL）18A的内容。当IAT快照保存在介质上时，CDL的变量增量ID部分33、34复位为空并且记录用于保存的快照的IAT快照ID 32。CDL通过ID固有地绑定到最后的IAT快照。环形缓冲可以足够大以使得多个快照和CDL可以在介质上存在，因为之前的快照没有自动擦除。因此，后面的EPO恢复处理必须具有一种方式来告诉最后的快照和来自较早的快照的关联的CDL。记录在IAT快照和CDL服务器两者中的IAT快照ID用于该目的。IAT快照ID顺序必须是清楚的从而在EPO之后的恢复例程可以告诉哪个ID是最近的。实现ID的一种方式是使得其成为单调递增的计数器，然后在上电恢复例程期间，无论何时ID下降时固件可以停止读取快照和CDL数据，这是已经达到在环形缓冲中最近的数据的信号。

在列表33、34中的每个变量增量ID包括对于正在记录的具体的写入命令更新IAT需要的三条信息，它们是开始LBA、开始PBA和扇区数量。每个变量增量ID例如可以是6字节。具有多个变量增量ID的CDL的最大尺寸可以限制为其可以包含在一个扇区内。开始LBA/PBA字段可以不必是全部LBA/PBA地址，由于间接性可以限制（例如，驱动分区为独立部分并且仅需要在部分内的偏移）。

在间接性映射的一些实施例中，需要时间戳来确定哪个变量增量ID是最近的。因此，在图4中示出的CDL的实施例中包括了附加的字段，时间戳计数器35。在本发明的一些实施例中，给定LBA的变量增量ID限制为仅存在于当前迭瓦式区域中从而LBA的有效位置出现在快照点之后的最后的变量增量ID中。然而，在一些实施例中不施加该限制，并且需要时间戳来确定哪个变量增量ID是最近的。例如当存在两个间接性表时可能需要该时间戳，所述两个间接性表包括了将LBA映射到E区域或到I轨道的一个表；和将I轨道映射到在I区域内的位置的一个表。对于第一个表，变量增量可以存储在任何位置，而用于第二个表的变量增量可以潜在地存储在I轨道区域中。

以下参考图6描述按照本发明的实施例用于通过设备从主机接收的写入命令的典型写入操作的示例序列，所述图6示出了按照本发明的实施例写入IAT快照和CDL的方法。LBA由主机定义并且包括在被发送到设备的命令中。PBA由设备确定。在RAM中的IAT对于与写入操作61关联的LBA和PBA被更新。变量增量ID项对于该写入操作62添加到RAM中的累加变量增量列表中。对于写入命令由主机提供的数据写入到介质上的PBA，但是“未执行”。变量增量和快照计数器是递增的63。如果已经达到IAT快照计数器触发点64，则IAT快照（其将包括变量增量）与快照ID一起写入并且快照计数器复位66。RAM中的累加变量增量列表现在是过时的，因此其复位以刚好包含快照ID并且不包含变量增量67。

如果没有触发IAT快照，则对于选择的最大值68检查变量增量计数器，并且如果达到了，则累加变量增量列表（CDL）写入到介质，变量增量ID复位为空并且变量增量计数器设置为零。注意到，用于CDL的IAT快照ID当CDL写入到介质时不改变。在IAT快照之间可以有多个CDL写入并且这些CDL中的每个包含相同的IAT快照ID。

在本发明的实施例中，当设备检测到即将来临的功率损失（断电）时，RAM中的CDL（其覆盖了自从最后元数据（所述元数据可以是IAT快照或最后CDL写入）写入以来的任何更新）保存到预定的非易失性存储器（诸如图1中的闪存19）。每个CDL固有地小于IAT并且可以通过更频繁地写入到盘而保持尺寸下降。用于EPO存储所需的闪存的尺寸相对小，由于其仅需要保持最后的CDL。由此，在即将来临的EPO条件下为写入CDL所需的时间也少。

相对地，IAT的尺寸是I轨道的整个数目和E区域的尺寸的函数，而不是例如简单的每扇区的字节数。可以期望实际的SMR设备具有至少几十兆字节的量级的IAT。

图7示出了按照本发明的实施例在紧急断电之后使用IAT快照和CDL来重建IAT的方法。与可能的多个累加变量增量列表的组结合的最后的IAT快照提供当在紧急断电之后电源恢复时重建当前的间接性地址表所需的信息。上电例程可以在需要时读取整个环形缓冲以找到最后的IAT快照71和后来的CDL 72，如果存在的话。IAT快照ID用来从可能仍然存在与环形缓冲中的旧的快照中识别最后的快照。如果上电例程读取具有比从缓冲读取的之前一个更旧的ID的IAT快照，则例程知道已经找到了最后的IAT快照。CDL的相应的组将包含IAT快照ID并且将跟随在环形缓冲中的最后的IAT快照。此外，上电例程必须读取如上所述写入到闪存的最终EPO CDL 73。一旦上电例程具有最后的IAT快照，则IAT通过使用在每个CDL中的变量增量ID而更新以获得当前的IAT 74。当然，可以在快照或CDL写入之后在已经做出任何新的变量增量ID项之前立即发生EPO。在这种情况下EPO CDL将不包含任何变量增量ID。还可以，在任何CDL已经写入到盘之前发生EPO。如果在盘上或在闪存中都没有CDL，则IAT快照表示没有所需的任何更新的当前IAT。

在本发明的一个替换实施例中，包括映射LBA和PBA的元数据作为扇区格式的部分，并且这不必保存和写入CDL。IAT快照仍然如上所述创建。该实施例的一个优点是，不需要具有CDL的写入扇区，因为扇区元数据用作变量增量ID的角色。跟随快照写入的每个扇区固有地包含在前面的快照中更新IAT所需的元数据以包括顺序写入的扇区。对于该实施例，在EPO之后的上电例程如上所述找到最后的IAT快照，但是没有找到CDL。代替CDL，例程读取在包含用于在环形缓冲中的最后的快照的快照ID的每个PBA（扇区）。元数据中的对应于PBA的LBA然后用来在最后的快照中更新IAT到当前状态。

用于本发明的实施例的扇区元数据41A在图5A中示出。额外的元数据延长扇区的物理尺寸一些字节，例如4字节。明确地存储的元数据41A在该实施例中包括最后的IAT快照ID 42和LBA 44。需要IAT快照ID来区分执行的和未执行的写入。用于本发明的实施例的扇区元数据41B的替换实施例在图5B中示出。扇区元数据41B包括了时间戳计数器43，其用作与上面讨论的替换CDL中的时间戳计数器相同的功能。如果在相同的LBA上的IAT更新可以在另一迭瓦式区域，例如如上所述的I轨道区域中出现，则需要时间戳计数器43。对于在介质上每个扇区隐含地通过设备知道PBA，由于PBA是实际的物理地址。无需定义扇区的数量，该数量固有地是一个。

除了包括在扇区架构中的任何其他元数据之外，可以明确地存储LBA元数据。现有技术的扇区格式包括以ECC字节的形式的元数据，其典型地跟随在介质上的物理扇区中的用户数据。LBA元数据例如还可以通过用作ECC编码的种子而编码为ECC字节。折衷是存储明确存储的LBA元数据在格式效率上花费一些额外字节，而使用其作为ECC种子通过缩小ECC容量而牺牲可靠性。

Claims (20)

1.一种操作具有将LBA映射到PBA的间接性地址表的数据存储设备的方法，该方法包括：

周期性地写入与盘上的缓冲中写入的用户数据内嵌的盘上的间接性地址表的快照，每个快照包括快照ID，所述快照ID从较早快照中标识了最后快照；并且

在写入每个快照之后，做出包含了对间接性地址表的后续改变的变量增量列表，并且将变量增量列表周期性地写入到盘上的缓冲，每个变量增量列表包括标识最后快照的快照ID。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在紧急断电之后电源恢复后采取的动作：

读取缓冲以找到间接性地址表的最后快照和最后快照ID；

读取在缓冲中包括最后快照ID的每个变量增量列表；以及

使用对记录在变量增量列表中的间接性地址表的改变，来更新在最后快照中的间接性地址表。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括当检测到紧急的断电时将变量增量列表保存到预定的非易失性存储器。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括在紧急断电之后电源恢复后采取的动作：

读取缓冲以找到间接性地址表的最后快照和最后快照ID；

读取缓冲中包括了最后快照ID的每个变量增量列表；

读取在预定的非易失性存储器中的变量增量列表；并且

使用对记录在变量增量列表中的间接性地址表的改变，更新在最后快照中的间接性地址表。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，将变量增量列表周期性地写入到盘上的缓冲进一步包括使用所有的数据块将变量增量列表写入用户数据块区域中。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，周期性地写入间接性地址表的快照进一步包括使用写入操作的计数作为用于写入快照的触发。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数据存储设备是迭瓦式磁记录（SMR）设备并且所述缓冲是盘上的E区域中的环形缓冲。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变量增量列表中的每个项包括时间戳。

9.一种操作具有将LBA映射到PBA的间接性地址表的数据存储设备的方法，该方法包括：

周期性地写入与在盘上的缓冲中写入的用户数据内嵌的盘上的间接性地址表的快照，每个快照包括快照ID，所述快照ID从较早快照中标识了最后快照；并且

将每个PBA中的元数据顺序写入缓冲中，其识别与PBA对应的LBA并且包含用于最后快照的快照ID。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在紧急断电之后电源恢复后采取的动作：

读取缓冲以找到间接性地址表的最后快照和最后快照ID；

读取在缓冲中包括了最后快照ID的具有相应的LBA的PBA的组；以及

更新在最后快照中的间接性地址表以将相应的LBA映射到PBA的组中的PBA。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，周期性地写入间接性地址表的快照进一步包括使用写入操作的计数作为用于写入快照的触发。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述数据存储设备是迭瓦式磁记录（SMR）设备并且所述缓冲是盘上的E区域中的环形缓冲。

13.一种使用迭瓦式磁记录的数据存储设备，包括：

将LBA映射到PBA的间接性地址表；

在盘表面上在磁介质中的缓冲，包含用户数据和与用户数据内嵌的间接性地址表的至少一个快照，所述快照包括快照ID；和

间接性系统，其将具有快照ID的间接性地址表的快照周期性地写入到缓冲，所述快照ID从较早快照中标识了最后快照。

14.根据权利要求13所述的数据存储设备，其中，所述间接性系统做出包含了在每个快照写入之后对间接性地址表的后续改变的变量增量列表，并且将变量增量列表周期性地写入到盘上的缓冲，每个变量增量列表包括标识了最后快照的快照ID。

15.根据权利要求14所述的数据存储设备，进一步包括当检测到即将来临的紧急断电时用于存储变量增量列表的闪存。

16.根据权利要求15所述的数据存储设备，其中，所述间接性系统通过读取缓冲以找到间接性地址表的最后快照和最后的快照ID；读取在缓冲中包含了最后快照ID的每个变量增量列表；读取闪存中的变量增量列表并使用对记录在变量增量列表中的间接性地址表的改变来更新最后快照中的间接性地址表，而在紧急断电之后重建间接性地址表。

17.根据权利要求14所述的数据存储设备，其中，所述变量增量列表中的每项包括时间戳。

18.根据权利要求14所述的数据存储设备，其中，所述变量增量列表写入使用所有的数据块的用户数据块区域中。

19.根据权利要求13所述的数据存储设备，其中，缓冲中的每个PBA包括标识与PBA相应的LBA并包含用于最后快照的快照ID的元数据。

20.根据权利要求13所述的数据存储设备，其中，所述缓冲是在盘上E区域中的环形缓冲。

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