CN103135940B - 在迭瓦式盘驱动器中实施增强的碎片流处理 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于对包括迭瓦式盘驱动器（SDD）的永久介质实施碎片流处理的方法和存储系统。为各盘区域定义用于记录流命令的多个异常区域。每个异常区域保持在包括空闲异常区域、活动异常区域、恢复异常区域和已使用异常区域中的一个状态中。主机向驱动器发出TRIM命令以指示被删除内容。

Description

在迭瓦式盘驱动器中实施增强的碎片流处理

技术领域

本发明一般地涉及数据存储领域，更具体地涉及一种为永久介质或者硬盘驱动器（HDD），诸如使用迭瓦式（shingled）垂直磁记录（SMR）或者垂直磁记录（PMR）的迭瓦式盘驱动器（SDD），实施碎片流（fragmented stream）处理的方法和装置。

背景技术

用于许多数据处理应用的硬盘驱动器要求长期的数据存储以及典型地要求高度数据完整性。硬盘驱动器（HDD）有利地包括使用迭瓦式垂直磁记录（SMR）来实现高的轨道密度的迭瓦式盘驱动器（SDD）。

用于诸如包括数字视频记录器（DVR）的消费电子装置（CE）的硬盘驱动器需要在各种条件下维持多个接连的写入流。存取模式（access pattern）典型地主要作为长块顺序写入而开始，但是随着存储系统老化，可能降级到长块主机随机写入。碎片是当前系统在连续创建和删除视频的情况下的问题。

存在对一种有效并且高效的机制的需求，该机制能够在各种条件下维持多个接连的写入流并且为永久介质或者硬盘驱动器（HDD）实施增强的碎片流处理。期望最小化对整个SMR架构的改变，例如，优选地，包括运行时间切换或者逐区域的处理。

发明内容

本发明的一方面提供了一种用于对永久介质或者盘驱动器实施碎片流处理的方法和存储系统。本发明的其它重要方面提供这种方法和存储系统，而实质上没有不利影响并且克服了现有技术布置的一些缺点。

简而言之，提供了一种用于对包括迭瓦式盘驱动器的永久介质实施碎片流处理的方法和存储系统。为盘区域定义用于记录流命令的多个异常（Exception）区域。每个异常区域被保持在空闲异常区域、活动异常区域、恢复异常区域和已使用异常区域之一的状态下。主机向驱动器发出TRIM命令以指示被删除内容。

附图说明

从对在附图中图示的本发明的实施例的以下详细描述中，可以最好地理解本发明以及以上和其它目的和优点，其中：

图1是代表根据本发明实施例的用于对永久介质或者盘驱动器实施增强的碎片流处理的系统的框图；

图2A示意性地图示了现有技术SMR操作概览，包括示例现有技术迭瓦式盘驱动几何结构（geometry）中的I-track区域、写两次高速缓存（write twicecache）、和异常区域（E区域）；

图2B示意性地图示了根据本发明实施例的用于实施增强的碎片流处理的、包括异常区域（E区域）的迭瓦式盘驱动几何结构；

图3是图示根据本发明实施例的用于对永久介质或者盘驱动器实施碎片流处理的、图1的系统的示例操作的流程图；

图4A和4B是分别图示根据本发明的实施例的图，其中图示在异常区域（E区域）中和在删除内容的图1的系统使用的TRIM命令之后图4B中存储的示例多个N流，以及用于实施碎片流处理而释放的至少1/N的E区域；

图5是图示根据本发明实施例的、用于多个N流的一个缓冲区的最少有效区域的恢复对消耗时间的示例的图；

图6、7和8是分别图示根据本发明实施例的、用于实施碎片流处理的图1的系统的操作的示例仿真的图；以及

图9是图示根据本发明的实施例的计算机程序产品的框图。

具体实施方式

在本发明实施例的以下详细描述中，参照图示可以实施本发明的示例实施例的附图。要理解，可以利用其它实施例并且可以作出结构上的改变，而不脱离本发明的范围。

在此使用的术语是出于仅仅描述特定实施例的目的并且不是旨在限制本发明。如在此使用的，单数形式“一”、“一个”、“该”旨在也包括复数形式，除非上下文明确地作出相反的指示。还将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，指定了所陈述的特征、整数、步骤、操作、要素和/或组件的存在，但是不排除一个或者多个其它特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其组的存在或加入。

根据本发明实施例的特征，提供了一种用于对诸如迭瓦式（shingled）盘驱动器（SDD）之类的永久介质或硬盘驱动器（HDD）实施碎片流处理的方法和装置。

根据本发明实施例的特征，使用用于被删除内容的TRIM命令以及将要被一起删除的彼此相关联的随机命令的组，来实施增强的碎片流处理。如在说明书和权利要求书中使用的，应将术语TRIM命令理解为宽泛地包括TRIM命令和其它类似的用于指示被删除内容的主机命令。

现在参照附图，在图1中，示出了根据本发明实施例的由参考标号100总地标明的、用于对永久介质或者硬盘驱动器（HDD）实施碎片流处理的示例系统。系统100包括主机计算机102、存储设备104，以及主机计算机102和存储设备104之间的接口106。

存储设备或者硬盘驱动器104优选地包括使用迭瓦式垂直磁记录（SMR）、在重叠圆形轨道中在可写入盘表面124上记录数据的磁模式（magnetic pattern）的迭瓦式盘驱动器（SDD）。

如图1所示出的，主机计算机102包括处理器108、主机操作系统110和控制代码112。存储设备或者硬盘驱动器104包括耦接到数据信道116的控制器114。存储设备或者硬盘驱动器104包括承载读/写头的臂118，所述读/写头包括读出元件120和写入元件122。

硬盘驱动器或者迭瓦式驱动器（SDD）104包括耦接到控制器114和闪存存储器132的动态随机存取存储器（DRAM）和/或静态随机存取存储器（SRAM）130。硬盘驱动器或者104包括耦接到用于实施根据本发明的增强碎片流处理的控制器114的流视频存储控制程序134。硬盘驱动器或者SDD104包括耦接到用于实施根据本发明的增强碎片流处理的控制器114的写入命令跟踪信息136。写入命令跟踪信息136描述从主机到驱动器空间的流命令LBA的映射，用于彼此相关联针对被删除内容发出的TRIM命令的、一起要被删除的写入随机命令的组。

控制器114可以包括各种实施方式，例如，利用一个或多个集成电路管芯（die）制造。数字视频记录器（DVR）、机顶盒（STB）或者各种其它的计算机系统类型是主机计算机102具体的实施方式。控制代码102被示出位于主机计算机102中，并且控制器114被示出与流化视频存储控制程序134和写入命令跟踪信息136一起位于硬盘驱动器104中。应理解，控制代码112可以驻留在任何合适的位置，诸如与主机计算机102分离的硬盘驱动器104，并且流化视频存储控制程序134和写入命令跟踪信息136可以驻留在任何合适的位置，诸如主机计算机102。应理解控制器电路114可以驻留在主机计算机102等中例如与硬盘驱动器104分离的任何合适的位置。

以足以理解本发明的简化的形式示出了包括主机计算机102和硬盘驱动器或者SDD 104的系统100。图示的主机计算机102连同存储设备或者SDD104不是意图在于暗示在架构或者功能上的限制。本发明可以与各种硬件实施方式和系统以及各种其它内部硬件设备共同使用。

还参照图2A和2B，示出了通过参考标号200总地标明的各自的迭瓦式盘驱动器（SDD）几何结构，和图2B中现有技术示例的迭瓦式盘驱动器（SDD）几何结构。

参照图2A，图示的迭瓦式盘驱动几何结构200被配置为实施碎片流处理，SDD几何结构包括用于实施根据本发明实施例的增强碎片流处理的异常区域（E区域）210。迭瓦式盘驱动器（SDD）几何结构包括接近包含多个轨道204，#0-3的盘的内径（ID）的轴（spindle）202。一个或者多个各自的异常区域（E区域）210中的多个被布置在ID和多个轨道204的外径（OD）之间。异常区域（E区域）210记录流命令，而不用转换为传统的现有技术SMR算法的I-区域类型。

如图2B中所示，现有技术SDD几何结构类似地包括接近包含多个轨道204，#0-3的盘的内径（ID）的轴202。多个I轨道区域216与写两次高速缓存218以及异常区域（E区域）220一起被布置在图示的现有技术SDD几何结构的ID和外径（OD）之间。在现有技术SDD几何结构中，间接系统和I轨道算法是基于规则和异常，其中，间接是从一块地址空间到另一地址空间的映射，例如，从主机逻辑块地址（LBA）到永久介质的另一块地址空间，I轨道是逻辑块地址（LBA）的主机和驱动器顺序集合，其中每一个可能有效或者可能无效。规则是I轨道、在主机和驱动器空间二者中是顺序的主机LBA的定长集合（其位于I区域中并且在I区域中处理）、以及包括单个驱动器开始LBA的元数据。异常是在间接系统中的单个条目，其描述从主机到驱动器空间的LBA的接连序列的映射。异常位于写两次高速缓存218中或者异常区域（E区域）220中，其中写两次高速缓存218或者E区域220之一是正式位置，并且元数据包括主机开始LBA、长度和驱动器LBA。在每次主机读取时，检查间接系统以确定在一个或多个异常中是否包含了所有请求或者部分请求，并且从一个或多条中组装请求并且将其发送给主机。

根据本发明的实施例的特征，实施增强的碎片流处理以便最小化对整个SMR架构的改变。优选地在逐区域的基础上、或者通过本发明的新方法的主机定义的存储范围区域、或者通过来自常规的SMR操作的操作中通过运行时切换，来实施该增强的碎片流处理方法。

根据本发明实施例的特征，实现增强的碎片流处理，实质上将所有盘区域保持为E区域210，而不转换到I区域类型。仅仅使用E区域210，并且将其保持在包括空闲E区域、活动E区域、恢复E区域和已使用E区域的四种状态之一。

设计了TRIM命令以便使得操作系统能够通知HDD哪些数据页例如由于通过用户或者操作系统的擦除现在是无效的。TRIM是命令名称并且不是首字母缩写词。控制器114使用TRIM命令来识别被删除内容的随机命令的组。在删除操作期间，OS将向SDD或控制器114发送TRIM命令，相关联的LBA要被标记为不再有效。在那一点之后，在SSD或者控制器114得知不重新安置对应于在垃圾收集或者碎片整理期间由TRIM命令识别的那些主机LBA的、在写入命令跟踪信息136中跟踪的随机写入命令的组。

在操作中，主机计算机102中的主机操作系统110向硬盘驱动器104发送要写入的流的写入命令。响应于接收到的命令，驱动器104按照接收的顺序将随机命令写入到盘表面124上的活动的E区域中，并且跟踪写入命令跟踪信息136中的写入命令直至被修整（trim）。写入元件122在盘126的可记录或者可写入表面124上写入数据的磁模式。控制器电路114使得写入元件122使用迭瓦式写入，诸如迭瓦式垂直磁记录（SMR），在重叠的圆形轨道128中在盘122的可写入表面上记录数据的磁模式，以实现高轨道密度。控制器电路114使得写入元件122将顺序的命令写入它们自身的E区域或者专用的活动E区域210中，并且跟踪写入命令跟踪信息136中的写入命令直至被修整。

参照图3，由参考标号300总地标明了根据本发明实施例的用于对永久介质或者盘驱动器实施碎片流处理的系统100的示例操作。如在框302中指示的，所有盘区域被定义为E区域210并且被保持在包括空闲、活动、恢复和已使用的四种状态之一。注意，现有技术SMR架构中的现有固件能够在I区域和E区域之间改变区域类型。

按照所接收的顺序将随机命令写入到活动的E区域210中，其中顺序的命令被写入它们自身的E区域，并且活动E区域被写入直至满，如在框304中所指示的。在现有技术SMR架构中，使用I区域来减少间接系统的大小。需要跟踪在框304处的每个命令写入直至被修整，例如，存储在写入命令跟踪信息136中。

如在框306处指示的，由主机OS针对被删除内容发出TRIM命令。在需要额外的空间时，在框306处识别具有最小有效数据量的已使用E区域并且对其进行碎片整理。碎片整理是压缩操作，其是用于跳过现有技术SMR架构中稀疏写入的I区域的机制。

还参照图4A和4B，示出了通过参考标号400总地标明的、和在图4B中在删除内容的系统100发出的TRIM命令之后通过参考标号450总地标明的异常区域（E区域）中存储的各自示例的多个N流。

在图4A中，多个N流包括如所示的四个流402、404、406和408，其中N等于如在E区域400中写入的四个流。流402、404、406和408中的每个可以包括被顺序写入盘中的非顺序主机LBA。

例如，在系统利用为最小有效区域发出的TRIM命令删除内容之后，在用于实施根据本发明实施例的增强碎片流处理的碎片整理期间，至少一个流或者大约最小有效E区域的1/N被释放。

在图4B中，通过参考标号452总地标明的修整的部分指示在碎片整理期间发出的用于删除流408的内容的TRIM命令，并且在所图示的E区域450的示例中三个流402、404、406保留。

还参照图5，示出了图示根据本发明实施例的用于多个N流的一个缓冲区的示例最小有效区域的恢复对消耗时间的图。在图5中，关于垂直轴示出了转数，关于水平轴示出了最小有效区域的百分比，包括ID碎片整理、OD碎片整理、2个流、4个流和8个流。例如，碎片整理包括具有最小的有效数据量或者最小有效区域的已使用E区域的查找（seek），其包括1转数查找和1/2转数等待时间（latency），将目标区域的顺序读取到最小缓冲区填满，并且包括以最大有效性用于缓冲区填满的多个转数。应理解，缓冲区不总是被填满并且如果能够跳过一些轨道，恢复率将会更高。然后恢复E区域的查找包括1转数查找和1/2转数等待时间，然后顺序写入缓冲区。依赖于有效性，写入缓冲区时间可以小于读取时间。恢复E区域与其中正在被写入新的流的活动E区域不同。

图6、7和8是分别图示根据本发明实施例的用于实施增强的碎片流处理的系统100的操作的示例仿真的图。在图6、7和8中，提供了具有特定的示例驱动器配置的仿真结果，例如，2TB驱动器，3%固定的E区域（在额外的E区域中2%），2、4和8个流，19.3Mbps流速率，随机流删除，150MB/sOD，75MB/s ID，5940RPM，30天，24×7小时运行，和具有14MB恢复缓冲区、10MB写入缓冲区和保留8MB（固件使用）的32MB客户高速缓存（排除间接）。

在图6和7中，关于垂直轴示出了发生（occurrence）百分比，以及关于水平轴示出了最小有效区域的百分比，包括2、4和8写入流。图6图示了用户满80%的示例仿真和图7图示了用户满90%的示例仿真。

图8图示了恢复率对消耗的示例仿真，包括ID碎片整理，OD碎片整理，2个流，4个流和8个流。在图8中，关于垂直轴示出了MB/s的恢复率，关于水平轴示出了最小有效区域的百分比。如所仿真的，2个流和4个流支持100%的所分配用户容量，8个流支持需要80-85%。8个流支持在100%所分配用户容量是可能的，其中连续流的平均数量低于8，具有空闲时间，在固定视频率的情况下ID/OD率增加；缓冲区大小的增加使得每次查找/等待时间能够进行更顺序的碎片整理操作；在非随机删除的情况下，按时间顺序是更有可能的；或者如果大的主机顺序写入到分开的活动E区域。

根据本发明的实施例的特征，增强的碎片流处理使得能够在各种条件下保持多个连续的写入流，并且例如在各种条件下保证同时最少四个高清晰度流和多至近似8个高清晰度流。

现在参照图9，图示了本发明的制造品或者计算机程序产品900。该计算机产品900包括计算机可读记录介质902，诸如软盘、光学读取致密盘或者CD-ROM形式的大容量只读存储器、磁带，或者其他类似的计算机程序产品。计算机可读记录介质902在介质902上存储程序部件或者控制代码904、906、908、910，用于在图1的系统100中执行本发明实施例的用于实施增强的碎片流处理的方法。

由所记录的程序部件或者控制代码904、906、908、910定义的一个或多个相关联的模块的程序指令序列或者逻辑汇编指导用于实现本发明实施例的增强的碎片流处理方法的系统100。

尽管已经参照附图中示出的本发明的实施例的细节描述了本发明，但这些细节不是意图限制如权利要求书请求保护的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于对永久介质实施碎片流处理的方法，包括：

将各盘区域定义为用于记录流命令的多个异常区域；

将每个异常区域保持在空闲异常区域、活动异常区域、恢复异常区域和已使用异常区域之一中；以及

发出用于被删除内容的TRIM命令，

其中，所述TRIM命令由主机发出用于指示被删除内容。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述永久介质包括硬盘驱动器HDD。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述永久介质包括迭瓦式盘驱动器SDD。

4.根据权利要求1所述的方法，包括以主机随机命令的接收顺序将所述主机随机命令写入到所述活动异常区域。

5.根据权利要求4所述的方法，包括将顺序主机命令写入到活动异常区域。

6.根据权利要求5所述的方法，其中将顺序主机命令写入到活动异常区域包括所述活动异常区域被写入直至实质上充满。

7.根据权利要求5所述的方法，包括在发出用于被删除内容的TRIM命令之后跟踪写入命令直至碎片整理。

8.根据权利要求7所述的方法，包括为每个写入命令存储写入命令跟踪信息。

9.根据权利要求1所述的方法，其中发出用于被删除内容的TRIM命令包括识别具有最小有效数据量的已使用异常区域，并且利用所述最小有效数据量对所述已使用异常区域进行碎片整理。

10.根据权利要求9所述的方法，其中利用所述最小有效数据量对所述已使用异常区域进行碎片整理包括压缩操作。

11.一种用于对永久介质实施碎片流处理的装置，包括：

用于记录流命令的多个异常区域；

每个异常区域被保持在空闲异常区域、活动异常区域、恢复异常区域和已使用异常区域之一中；以及

发出的用于被删除内容的TRIM命令，

其中，所述TRIM命令由主机发出用于指示被删除内容。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述永久介质包括迭瓦式盘驱动器。

13.根据权利要求11所述的装置，包括控制器，用于将每个异常区域保持在所述空闲异常区域、所述活动异常区域、所述恢复异常区域和所述已使用异常区域之一中。

14.根据权利要求13所述的装置，包括所述控制器发出用于被删除内容的所述TRIM命令。

15.根据权利要求14所述的装置，包括所述控制器识别具有最小有效数据量的已使用异常区域，并且利用所述最小有效数据量对所述已使用异常区域进行碎片整理。

16.根据权利要求13所述的装置，包括所述控制器以主机随机命令的接收顺序将所述主机随机命令写入到所述活动异常区域。

17.根据权利要求16所述的装置，包括所述控制器在发出用于被删除内容的TRIM命令之后跟踪写入命令直至碎片整理。

18.一种数据存储系统，包括：

永久介质；

控制器，以及耦接到用于实施碎片流处理的所述控制器的写入命令跟踪信息；

所述控制器将各盘区域定义为用于记录流命令的多个异常区域；

所述控制器将每个异常区域保持在空闲异常区域、活动异常区域、恢复异常区域和已使用异常区域之一中；以及

所述控制器发出用于被删除内容的TRIM命令，

其中，所述TRIM命令指示被删除内容。

19.根据权利要求18所述的数据存储系统，包括所述控制器以主机随机命令的接收顺序将主机随机命令写入活动异常区域。

20.根据权利要求19所述的数据存储系统，包括所述控制器在发出用于被删除内容的TRIM命令之后跟踪写入命令直至碎片整理。