CN103136109B - 一种具有压缩功能的固态存储系统ftl写入及读取方法 - Google Patents

一种具有压缩功能的固态存储系统ftl写入及读取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有压缩功能的固态存储系统FTL写入方法，该固态存储系统包括压缩前缓存、数据压缩单元、压缩后缓存、地址映射表、数据压缩FTL，以及存储单元，该写入方法包括步骤：固态存储系统接收并解析写入指令；固态存储系统将待写入数据缓存到压缩前缓存中；数据压缩单元将压缩前缓存中的数据进行数据压缩，并将压缩完的数据存入压缩后缓存中；数据压缩FTL能够将压缩后具有可变长度的数据块完成地址映射管理、垃圾收集、损耗均衡等功能；固态存储系统将该压缩后缓存中的数据写入该存储单元中。本发明能够使固态存储系统内置压缩能力且具备支持压缩功能的FTL，并能够提高固态存储系统的存储空间利用率，避免存储空间的浪费。

Description

一种具有压缩功能的固态存储系统FTL写入及读取方法
技术领域
本发明主要涉及固态存储系统领域，尤其是涉及一种能够提高的固态存储系统的存储空间利用率的写入及读取方法。
背景技术
使用NANDFlash的固态存储系统逐渐成为一种新的广受欢迎的存储系统(SolidStateDisk，SSD)。然而由于Flash的使用寿命是有限的(25nmMLC擦写次数在3000次左右)，因此如何降低擦写Flash的次数是SSD中重要的研究方向。使用数据压缩技术，可以大大降低实际写入SSD的数据量，因此降低对Flash的擦写次数，延长其寿命。
比如，一般的可执行文件，文本文件，数据库文件，经过无损数据压缩之后，其体积一般能减少30％～60％，所需的存储空间大大降低。以下假设SSD内部处理数据的单元及数据压缩针对的数据单元大小均是4KB，即每8个区块(sector)为一组进行数据压缩，如果不足则用空数据填充。
但是，引入数据压缩之后，由于每一块数据的大小会发生不确定的变化，即数据块的大小从定长变为不定长。
未采用压缩技术前，举例说，假设每一个页“page”(8KB)可以存储两个4KB的数据块。这样，直接将每个4KB数据的物理页地址记录在地址映射表中就可以满足后续对该数据块的读写访问操作。
由于引入数据压缩，因此，每一个8KB的页“page”中存储的数据块的数量将可能发生变化，例如，在一个页“page”中存储了3个压缩后的数据块，同时留下了一个2KB大小的空洞，成为内部碎片(产生空洞的原因是后面一个即将写入的数据大于2KB(假设是3KB)，因此该页“page”中已无法容纳该写入数据)。SSD只能另外开辟一个新的8KB页“page”来写入这个新的3KB大小的数据块。因此，这个内部碎片的2KB存储空间就被浪费掉了。
如何减少存储空间的浪费，提高固态存储系统的存储率成为亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供提高固态存储系统的存储空间利用率的写入及读取方法。
提供一种具有压缩功能的固态存储系统FTL写入方法，该固态存储系统包括压缩前缓存、数据压缩单元、压缩后缓存、地址映射表、数据压缩FTL，以及存储单元，该写入方法包括步骤：固态存储系统接收并解析写入指令；固态存储系统将待写入数据缓存到压缩前缓存中；数据压缩单元将压缩前缓存中的数据进行数据压缩，并将压缩完的数据存入压缩后缓存中；数据压缩FTL对压缩数据块进行地址映射管理、垃圾收集及损耗均衡操作；固态存储系统将该压缩后缓存中的数据写入该存储单元中。
根据本发明的一优选实施例，在步骤“数据压缩FTL对压缩数据块进行地址映射管理、垃圾收集、损耗均衡操作”中，如果待写入数据块压缩后无法正好填满一个完整的存储单元，则将待写入压缩数据块分为第一压缩数据块和第二压缩数据块，并将该第一压缩数据块写入一第一存储单元的尾部存储空间内，将该第二压缩数据块写入一第二存储单元的头部存储空间内，同时在该第一压缩数据块之后添加第一存储单元链接指针，在第二压缩数据块之前添加第二存储单元链接指针，该第一存储单元链接指针表示该第一压缩数据块对应的第二压缩数据块所在的存储单元的物理地址，该第二存储单元链接指针表示第二压缩数据块对应的第一压缩数据块所在的存储单元的物理地址。这样，第一压缩数据块(及其第一存储单元链接指针)就恰好填满一个完整的存储单元，避免了存储空间的浪费。
本发明还提供一种与上述固态存储系统FTL写入方法对应的读取方法，包括步骤：固态存储系统接收并解析读取指令；数据压缩FTL从地址映射表中查询待读取数据的逻辑地址所对应的存储单元的物理地址；固态存储系统将待读取的数据缓存到解压缩前缓存中；对存储于解压缩前缓存中的压缩数据块进行解压缩，解压缩后的数据存放到解压缩后缓存中；固态存储系统将解压缩后缓存中的数据传输至读取装置。
根据本发明的一优选实施例，在步骤“数据压缩TFL从地址映射表中查询待读取数据的逻辑地址所对应的存储单元的物理地址”中，如果所需读取的数据块只有压缩数据块的第一压缩数据块，则数据压缩FTL根据存储在该第一压缩数据块内的第一存储单元链接指针，找到包含对应的第二压缩数据块的存储单元，并读出第二压缩数据块到解压缩前缓存。
根据本发明的一优选实施例，在步骤“对存储于解压缩前缓存中的压缩数据块进行解压缩，解压缩后的数据存放到解压缩后缓存中”，包括解压缩该第一压缩数据块和该第二压缩数据块，并形成待读取数据。
本发明提供一种具有压缩功能的固态存储系统FTL写入方法，包括：当待写入数据无法填满一个完整的存储单元时，将待写入压缩数据块分为第一压缩数据块和第二压缩数据块，并将该第一压缩数据块写入该固态存储系统的第一存储单元的尾部存储空间内，将该第二压缩数据块写入该固态存储系统的第二存储单元的头部存储空间内，并在地址映射表中，以该第一压缩数据块所在的第一存储单元物理地址作为该待写入数据的物理映射地址。
根据本发明的一优选实施例，还包括在该第一压缩数据块之后添加第一存储单元链接指针，在第二压缩数据块之前添加第二存储单元链接指针，该第一存储单元链接指针表示该第一压缩数据块对应的第二压缩数据块所在的存储单元的物理地址，该第二存储单元链接指针表示该第二压缩数据块对应的第一压缩数据块所在的存储单元的物理地址。
本发明还提供一种与上述固态存储系统FTL写入方法对应的读取方法，包括：读取第一压缩数据块，并根据存储在该第一压缩数据块内的第一存储单元链接指针，找到对应的第二压缩数据块，并将该第一压缩数据块和该第二压缩数据块解压形成待读取数据。
本发明还提供一种与上述固态存储系统FTL写入方法对应的读取方法，包括：读取第二压缩数据块，并根据存储在该第二压缩数据块内的第二存储单元链接指针，找到对应的第一压缩数据块，并将该第一压缩数据块和该第二压缩数据块解压形成待读取数据。
相较于现有技术，本发明中，当固体存储系统的压缩数据块无法恰好填满一个物理页大小时，该完整的压缩数据块分拆为第一压缩数据块和第二压缩数据块，其中第一压缩数据块可以恰好填满上述未填满的物理页，并将第一压缩数据块存储在此存储单元的尾部的内部碎片存储空间，将对应的第二压缩数据块存储在一个新的存储单元的起始处。同时，在第一压缩数据块、第二压缩数据块中，分别添加一个存储单元链接指针，用以表示该第一压缩数据块对应的第二压缩数据块所在的存储单元的物理地址和该第二压缩数据块对应的第一压缩数据块所在的存储单元的物理地址。这样，可以将写入数据写入存储单元的碎片存储中，并在读取该数据时进行完整的读取，提高该固态存储系统的存储率，避免存储空间的浪费。
附图说明
图1是采用本发明的固态存储系统中的数据存储结构示意图。
图2是本发明固态存储系统FTL写入方法模拟图。
图3是本发明固态存储系统的读取方法模拟图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明适用的系统为固态存储系统，特别是具有按存储单元例如页面大小读写数据(读写单位是512byte或4KB或8KB等的)的存储系统，例如当前普遍使用的NANDFLASH形态的固态存储系统或其他形式的半导体存储系统，在此不做具体限制。
在固态存储系统中，物理存储模块一般包括多个“块”(block)，每个“块”包括多个“页”(page)等多种划分形式的存储单元。本发明中所指的存储单元可以是“块”，也可以是“页”等任意形式的存储单元，同时，该存储单元的容量可以是4KB、8KB、16KB等规格，亦可以是其他规格，在此不做具体限定。在以下具体实施方式中，以存储单元为“页”进行具体阐述。
本发明中对将要存储于固态存储系统的存储单元的压缩数据块分为头数据、中间数据、尾数据三部分，其中，中间数据按照先入先出的顺序直接写入存储单元中，而，对头数据、尾数据进行如下处理。
如果头数据、尾数据容量刚好可被存储单元的完整容纳，即，该数据块是完整数据块，无内部碎片产生，则将该数据块采用通用的存储方法写入或读出该固态存储系统，在此不再赘述。
请具体参阅图1，图1是本发明固态存储系统中的数据存储结构示意图。当头数据或尾数据过大，无法装入具有固定大小的存储单元时，如果按照传统的做法，则会新开辟一个物理存储单元写入该数据块，原来的存储单元的尾部就留下“空洞”，即内部碎片，导致降低存储单元的使用率。本发明将该完整的压缩数据块分拆为第一压缩数据块11和第二压缩数据块12。并将第一压缩数据块11存储在一个存储单元的尾部的内部碎片存储空间，将对应的第二压缩数据块12存储在一个新的存储单元的起始处。同时，在地址映射表中，以第一压缩数据块的物理地址作为该数据在映射表中的映射地址。
同时，为了能够正常维护对该压缩数据块的读取和写入，在第一压缩数据块11之后添加第一存储单元链接指针13，在第二压缩数据块12之前添加第二存储单元链接指针14，第一存储单元链接指针13用以表示该第一压缩数据块11对应的第二压缩数据块12所在的存储单元的物理地址，第二存储单元链接指针14用以表示该第二压缩数据块12对应的第一压缩数据块11所在的存储单元的物理地址。
需要读取上述数据块时，先根据固态存储系统中的地址映射表，找到存储第一压缩数据块11的存储单元的物理地址，并且根据第一存储单元链接指针13读取其对应存储有包含数据块12的存储单元，从而可以顺利读取到第二压缩数据块12，完成对整个压缩数据块的读取。
请参阅图2，图2是该固态存储系统FTL写入方法模拟图。该写入方法模拟图中示意性的表示出了主机、压缩前缓存、数据压缩单元、压缩后缓存、地址映射表、数据压缩FTL，以及存储单元等单元模块。
该写入方法包括：
步骤S11，主机发送写入指令，该写入指令中可以包括写入命令、起始逻辑地址、区块(sector)数量等内容；
步骤S12，固态存储系统接收并解析写入指令；
步骤S13，固态存储系统将待写入的数据缓存到压缩前缓存中，该待写入数据可以通过SATA接口或PCIE等通用接口传输，并以数据压缩单元的工作单位为大小进行存储，例如可以是4KB、8KB、16KB等；
步骤S14，固态存储系统的数据压缩单元将压缩前缓存中的数据进行数据压缩，并将压缩完的数据存入压缩后缓存中；
步骤S15，数据压缩FTL对压缩数据块大小进行地址映射管理；
本步骤中，如果头数据、尾数据容量刚好可被固态存储系统的存储单元的完整容纳，即，该压缩数据块是完整数据块，无内部碎片产生，则执行步骤S151，将该压缩数据块采用通用的存储方法写入该固态存储系统，由于方法已为公众所知，在此不再赘述。
如果头数据、尾数据容量为非完整，将导致该存储单元内产生碎片，降低该存储单元的使用率，则执行步骤S152，将该完整的压缩数据块分拆为第一压缩数据块11和第二压缩数据块12，同时，在第一压缩数据块11之后添加第一存储单元链接指针13，在第二压缩数据块12之前添加第二存储单元链接指针14，第一存储单元链接指针13用以表示该第一压缩数据块11对应的第二压缩数据块12所在的存储单元的物理地址，第二存储单元链接指针14用以表示该第二压缩数据块12对应的第一压缩数据块11所在的存储单元的物理地址。这样，第一压缩单元所在的物理存储单元就被完全填充，无碎片产生。
步骤S16，将压缩数据块按照通用的闪存转换层(FTL)方法进行垃圾收集和损耗均衡，由于该步骤已为公众所知，在此不再赘述；
步骤S17，当压缩后缓存满时，将该压缩后缓存中的数据写入固态存储系统的存储单元。
与上述固态存储系统FTL写入方法对应的读取方法为其逆过程，具体请参考图3，图3是该固态存储系统的读取系统模块图。该读取方法具体包括：
步骤S21，主机发送读取指令，该读取指令中可以包括读取命令、起始逻辑地址、区块(sector)数量等内容；
步骤S22，固态存储系统接收并解析读取指令；
步骤S23，数据压缩FTL从地址映射表中查询待读取数据的逻辑地址所对应的存储单元的物理地址；
步骤S23，固态存储系统将待读取的数据缓存到解压缩前缓存中；该步骤中，包括以下两种读取情况：
如果所需读取的数据块以一个完整的压缩数据块的形式存储于存储单元中，则执行步骤S231，数据压缩FTL采用通用方法，将存储的辅助信息定位到压缩数据块，并将其通过解压缩模块解压到解压缩后缓存；
如果所需读取的数据块只有压缩数据块的第一压缩数据块11，则执行步骤S232，数据压缩FTL根据存储在该第一压缩数据块11内的第一存储单元链接指针，找到包含对应的第二压缩数据块12的存储单元，并读出第二压缩数据块12到解压缩前缓存。
步骤S24，对存储于解压缩前缓存中的压缩数据块(包括第一压缩数据块11和第二压缩数据块12)进行解压缩，解压缩后的数据存放到解压缩后缓存中。
步骤S25，固态存储系统将解压缩后的数据传输(例如可以通过SATA或PCIE接口)到读取主机上，完成读取指令。

Claims (8)

1.一种具有压缩功能的固态存储系统FTL写入方法，该固态存储系统包括压缩前缓存、数据压缩单元、压缩后缓存、地址映射表、数据压缩FTL，以及存储单元，该写入方法包括步骤：固态存储系统接收并解析写入指令；
固态存储系统将待写入数据缓存到压缩前缓存中；
数据压缩单元将压缩前缓存中的数据进行数据压缩，并将压缩完的数据存入压缩后缓存中；
数据压缩FTL对压缩数据块进行地址映射管理、垃圾收集及损耗均衡操作；
固态存储系统将该压缩后缓存中的数据写入该存储单元中；
在步骤“数据压缩FTL对压缩数据块进行地址映射管理、垃圾收集、损耗均衡操作”中，如果待写入数据块压缩后无法正好填满一个完整的存储单元，则将待写入压缩数据块分为第一压缩数据块和第二压缩数据块，并将该第一压缩数据块写入一第一存储单元的尾部存储空间内，将该第二压缩数据块写入一第二存储单元的头部存储空间内，同时在该第一压缩数据块之后添加第一存储单元链接指针，在第二压缩数据块之前添加第二存储单元链接指针，该第一存储单元链接指针表示该第一压缩数据块对应的第二压缩数据块所在的存储单元的物理地址，该第二存储单元链接指针表示第二压缩数据块对应的第一压缩数据块所在的存储单元的物理地址。
2.一种与权利要求1对应的固态存储系统的读取方法，包括步骤：
固态存储系统接收并解析读取指令；
数据压缩FTL从地址映射表中查询待读取数据的逻辑地址所对应的存储单元的物理地址；
固态存储系统将待读取的数据缓存到解压缩前缓存中；
对存储于解压缩前缓存中的压缩数据块进行解压缩，解压缩后的数据存放到解压缩后缓存中；
固态存储系统将解压缩后缓存中的数据传输至读取装置。
3.如权利要求2所述的固态存储系统的读取方法，其特征在于：在步骤“数据压缩FTL从地址映射表中查询待读取数据的逻辑地址所对应的存储单元的物理地址”中，如果所需读取的数据块只有压缩数据块的第一压缩数据块，则数据压缩FTL根据存储在该第一压缩数据块内的第一存储单元链接指针，找到包含对应的第二压缩数据块的存储单元，并读出第二压缩数据块到解压缩前缓存。
4.如权利要求3所述的固态存储系统的读取方法，其特征在于：在步骤“对存储于解压缩前缓存中的压缩数据块进行解压缩，解压缩后的数据存放到解压缩后缓存中”，包括解压缩该第一压缩数据块和该第二压缩数据块，并形成待读取数据。
5.一种具有压缩功能的固态存储系统FTL写入方法，包括：当待写入数据无法填满一个完整的存储单元时，将待写入压缩数据块分为第一压缩数据块和第二压缩数据块，并将该第一压缩数据块写入该固态存储系统的第一存储单元的尾部存储空间内，将该第二压缩数据块写入该固态存储系统的第二存储单元的头部存储空间内，并在地址映射表中，以该第一压缩数据块所在的第一存储单元物理地址作为该待写入数据的物理映射地址。
6.如权利要求5所述的具有压缩功能的固态存储系统FTL写入方法，其特征在于：还包括在该第一压缩数据块之后添加第一存储单元链接指针，在第二压缩数据块之前添加第二存储单元链接指针，该第一存储单元链接指针表示该第一压缩数据块对应的第二压缩数据块所在的存储单元的物理地址，该第二存储单元链接指针表示该第二压缩数据块对应的第一压缩数据块所在的存储单元的物理地址。
7.一种与权利要求6对应的固态存储系统的读取方法，包括：读取第一压缩数据块，并根据存储在该第一压缩数据块内的第一存储单元链接指针，找到对应的第二压缩数据块，并将该第一压缩数据块和该第二压缩数据块解压形成待读取数据。
8.一种与权利要求6对应的固态存储系统的读取方法，包括：读取第二压缩数据块，并根据存储在该第二压缩数据块内的第二存储单元链接指针，找到对应的第一压缩数据块，并将该第一压缩数据块和该第二压缩数据块解压形成待读取数据。
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