CN103543955A - 利用固态硬盘作为设备读缓存的方法、系统及固态硬盘 - Google Patents

Abstract

本发明适用于存储技术领域，提供了一种利用固态硬盘作为设备读缓存的方法，所述方法包括如下步骤：A、固态硬盘的闪存转换层为设备提供读写接口，并存储所述设备的缓存数据；B、所述固态硬盘的闪存转换层在检测到所述固态硬盘的空闲块小于预设的阈值时，将目标块擦除。借此，本发明提高了慢速块设备读命令处理速度。

Description

利用固态硬盘作为设备读缓存的方法、系统及固态硬盘

技术领域

本发明涉及存储技术领域，尤其涉及一种利用固态硬盘作为设备读缓存的方法、系统及固态硬盘。

背景技术

闪存具备存取速度快，无噪音，散热小的特点，在存储市场上得到了广泛的应用。由于闪存的物理介质特点，存在一些存取限制，它可以单一字节的方式读或写入，但是抹除一定是一整个区块，同时对于覆盖写，必须先将块上的有效数据读取到内存中，然后擦除整块，再将有效数据同更新数据一同写入块中，这一过程简称“读-修改-写”。

在SSD(solid state disk，固态硬盘)中，通常封装了FTL（Flash TranslationLayer，闪存转换层）Flash文件系统数据管理器通常FTL也称作NAND FTL(Flash Translation Layer)。

FTL是一个NAND（闪存芯片）与基础文件系统之间的一个转换层，它使操作系统和文件系统能够像访问硬盘一样访问NAND闪存设备。FTL整体管理flash设备，包括从底层flash设备分配块、地址转换(mapping)、动态平均读写和垃圾收集。在某些flash设备中，可以在硬件中实现一部分FTL。

传统的FTL实现中，往往将其功能实现在一个封闭的控制芯片中或是一个独立模块中，往往提供较少的接口显示内部工作状态。也就是说应用数据与FTL缺乏协调，导致FTL性能较低。

综上可知，现有的设备读缓存技术在实际使用上，显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用固态硬盘作为设备读缓存的方法、系统及固态硬盘，以提高慢速块设备读命令处理速度。

为了实现上述目的，本发明提供一种利用固态硬盘作为设备读缓存的方法，所述方法包括如下步骤：

A、固态硬盘的闪存转换层为设备提供读写接口，并存储所述设备的缓存数据；

B、所述固态硬盘的闪存转换层在检测到所述固态硬盘的空闲块小于预设的阈值时，将目标块擦除。

根据所述的方法，所述步骤B包括：

B1、根据最近最少使用算法策略选择所述目标块；

B2、在映射表中删除所述目标块中所有页面的映射关系；

B3、擦除所述目标块；

B4、将所述目标块放入空闲链表中。

根据所述的方法，所述方法还包括：

C、所述设备将读写命令派发到所述固态硬盘；

D、判断所述写命令是否在所述固态硬盘中命中，若命中则构建删除命令下发到所述固态硬盘中；若未命中则将所述读写命令重新定向到所述设备；或者

E、判断所述读命令是否在所述固态硬盘中命中，若命中则所述读命令从所述固态硬盘返回；若未命中则将所述读命令重新定向到所述设备。

根据所述的方法，在所述读命令在所述固态硬盘中命中后，将所述读命令对应的数据写入到所述固态硬盘中加速；

所述读写接口包含的读写命令的信息包括：读写命令类型、逻辑块寻址、读写命令数据长度、读写命令数据缓冲地址。

为了实现本发明的另一发明目的，本发明还提供了一种利用固态硬盘作为设备读缓存的系统，所述系统包括：

读写接口，设置于固态硬盘的闪存转换层，为设备提供读写接口，并存储所述设备的缓存数据；

擦除模块，设置于所述固态硬盘的闪存转换层，在检测到所述固态硬盘的空闲块小于预设的阈值时，将目标块擦除。

根据所述的系统，所述擦除模块包括：

选择子模块，用于根据最近最少使用算法策略选择所述目标块；

删除子模块，用于在映射表中删除所述目标块中所有页面的映射关系；

擦除子模块，用于擦除所述目标块；

放入子模块，用于将所述目标块放入空闲链表中。

根据所述的系统，所述系统还包括：

重定向器，连接于所述设备与所述固态硬盘之间，用于将所述设备的读写命令派发到所述固态硬盘；

判断模块，设置于所述固态硬盘，用于判断所述写命令或者读命令是否在所述固态硬盘中命中；

所述重定向器在若所述判断模块判断所述写命令命中，则构建删除命令下发到所述固态硬盘中；若判断未命中则将所述读写命令重新定向到所述设备；或者

所述重定向器在若所述判断模块判断所述读命令在所述固态硬盘中命中，则将所述读命令从所述固态硬盘返回；若判断未命中则将所述读命令重新定向到所述设备。

根据所述的系统，在所述读命令在所述固态硬盘中命中后，所述重定向器将所述读命令对应的数据写入到所述固态硬盘中加速；

所述读写接口包含的读写命令的信息包括：读写命令类型、逻辑块地址、读写命令数据长度、读写命令数据缓冲地址。

为了实现本发明的再一发明目的，本发明还提供了一种用于上述任一项所述系统的固态硬盘。

本发明通过利用固态硬盘高速存储性能以及对传统FTL的垃圾回收作修改，由固态硬盘的闪存转换层为设备提供读写接口，并存储所述设备的缓存数据；所述固态硬盘的闪存转换层在检测到所述固态硬盘的空闲块小于预设的阈值时，将目标块擦除。由此，可高效地将SSD作为慢速块设备的读缓存，提高慢速块设备读命令处理速度。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的利用固态硬盘作为设备读缓存的系统组成示意图；

图2是本发明第二、三实施例提供的利用固态硬盘作为设备读缓存的系统组成示意图；

图3是本发明第四实施例提供的利用固态硬盘作为设备读缓存的方法流程图；

图4是本发明一个实施例提供的利用固态硬盘作为设备读缓存的系统框架图；

图5是本发明一个实施例提供的利用固态硬盘作为设备读缓存的方法流程图。

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。

参见图1，在本发明的第一实施例中提供了一种利用固态硬盘作为设备读缓存的系统100，所述系统包括：

读写接口10，设置于固态硬盘101的闪存转换层60，为设备102提供读写接口，并存储所述设备102的缓存数据；

擦除模块20，设置于所述固态硬盘101的闪存转换层60，在检测到所述固态硬盘101的空闲块小于预设的阈值时，将目标块擦除。

在该实施例中，在传统SSD FTL（固态硬盘101的闪存转换层60）的基础上，对FTL（闪存转换层60）的垃圾回收策略稍作修改，同时提供IO读写接口，可高效地为慢速块设备加速读命令处理。由于是将SSD作为设备102读缓存，当有新数据需要写入SSD时（该数据存储在SSD中作为读缓存），检测SSD中的空闲block数目，低于预设的阀值，启动垃圾回收，这样可以有效的提高设备102的缓存速度，方便设备102缓存数据的读取。所述读写接口包含的读写命令的信息包括：读写命令类型、逻辑块地址、读写命令数据长度、读写命令数据缓冲地址。具体的，SSD FTL提供读写IO接口，该IO接口包含了IO的如下信息：IO类型（读或写或trim）、逻辑块地址LBA、IO数据长度、IO数据buffer地址。为了统一标准，可利用SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）标准描述该IO命令。该方法有效地利用了SSD中的mapping机制,不同与传统的SSD缓存，不需要再次建立SSD上的块与设备102上的块的映射关系。而在传统SSD缓存中，这个映射关系将占用大量的内存，通常是GB级别大小，因此该实施例中提供的技术方案具有优越性。

参见图2，在本发明的第二实施例中，擦除模块20包括：

选择子模块21，用于根据最近最少使用算法策略选择所述目标块；

删除子模块22，用于在映射表中删除所述目标块中所有页面的映射关系；

擦除子模块23，用于擦除所述目标块；

放入子模块24，用于将所述目标块放入空闲链表中。

在该实施例中，由于SSD是作为设备102的读缓存，当FTL检测到空闲块低于某一阀值时，启动垃圾回收，根据LRU（Least Recently Used，近期最少使用算法）策略将目标块直接擦除。在这种策略下，SSD不需像传统FTL一样OP（over-provisioning）大量预留空间，主要用于坏块映射、垃圾回收、均衡磨损，有效地利用了SSD容量。

参见图2，在本发明的第三实施例中，所述系统还包括：

重定向器30，连接于所述设备102与所述固态硬盘101之间，用于将所述设备102的读写命令派发到所述固态硬盘101；

判断模块40，设置于所述固态硬盘101，用于判断所述写命令或者读命令是否在所述固态硬盘101中命中；

所述重定向器30在若所述判断模块40判断所述写命令命中，则构建删除命令下发到所述固态硬盘101中；若判断未命中则将所述读写命令重新定向到所述设备102；或者

所述重定向器30在若所述判断模块40判断所述读命令在所述固态硬盘101中命中，则将所述读命令从所述固态硬盘101返回；若判断未命中则将所述读命令重新定向到所述设备102。

在该实施例中，调整后再从SSD的IO转回到机械硬盘缓存，则IO转到机械盘后，数据从机械盘中读取上来。然后，决定该数据是否在SSD中缓存，如果否，IO返回；如果缓存，将数据拷贝到内存中，IO返回，SSD FTL则在SSD的FTL中查找空闲页面；将内存数据（对应于之前的IO数据）写入空闲页面中；建立映射关系。另外，在所述读命令在所述固态硬盘101中命中后，重定向器30将所述读命令对应的数据写入到所述固态硬盘101中加速。

在上述多个利用固态硬盘101作为设备102读缓存的系统100中的多个模块和/或组件可以为软件单元，硬件单元或软硬件结合单元。

参见图3，在本发明的第四实施例中提供了一种利用固态硬盘作为设备读缓存的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S301，固态硬盘101的闪存转换层60为设备102提供读写接口，并存储所述设备102的缓存数据；该步骤通过读写接口10实现；

步骤S302，所述固态硬盘101的闪存转换层60在检测到所述固态硬盘101的空闲块小于预设的阈值时，将目标块擦除；该步骤通过擦除模块20实现。

在该实施例中，SSD的FTL模块提供的读写接口存取数据；SSD FTL模块在空闲block（块）低于某一阀值的情况下根据策略直接淘汰block。由此，利用了SSD FTL高效地将SSD作为块设备102的读缓存。SSD FTL模块直接提供读写接口存取数据；SSD FTL模块在无空闲block的情况下根据策略直接淘汰block；利用SSD FTL高效地为目标块设备102加速读命令处理。

在本发明的第五实施例中，所述步骤S302包括：

B1、根据最近最少使用算法策略选择所述目标块；该步骤通过选择子模块21实现；

B2、在映射表中删除所述目标块中所有页面的映射关系；该步骤通过删除子模块22实现；

B3、擦除所述目标块；该步骤通过擦除子模块23实现；

B4、将所述目标块放入空闲链表中；该步骤通过放入子模块24。

在本发明的第六实施例中，所述方法还包括：

C、所述设备102将读写命令派发到所述固态硬盘101；该步骤通过重定向器30实现；

D、判断所述写命令是否在所述固态硬盘101中命中，若命中则构建删除命令下发到所述固态硬盘101中；若未命中则将所述读写命令重新定向到所述设备102；或者

E、判断所述读命令是否在所述固态硬盘101中命中，若命中则所述读命令从所述固态硬盘101返回；若未命中则将所述读命令重新定向到所述设备102；所述步骤D和E通过判断模块40和重定向器30实现。

具体的，还可以在所述读命令在所述固态硬盘101中命中后，将所述读命令对应的数据写入到所述固态硬盘101中加速。

参见图4，在本发明的一个实施中，提供了利用固态硬盘作为设备读缓存的系统框架图，其中“Application”表示建立在目标块设备上的应用，目标块设备可以为图1中设备102；比如：文件系统和操作系统。“IO redirector”模块负责检测读写命令是否在SSD中命中，读写IO先派发到SSD中，如果IO返回显示无效，则表示该IO在SSD中未命中令，那么将IO重定向到目标设备中，对于读IO还需决策该IO是否需写入SSD中以便后续加速。“块设备”部分通常是慢速的磁盘或是逻辑卷或是基于SAN的LUN。“SSD”部分就是本发明所要展示的读缓存。

参见图5，在本发明的一个实施例中，提供了利用固态硬盘作为设备读缓存的方法，所述方法包括：

步骤S501中，SSD FTL接收/处理IO；

步骤S502中，判断IO是否为写命令，是则转到步骤S504，否则转到步骤S503；

步骤S503中，判断读是IO是否未命中，是则转到步骤S507，否则转到步骤S505；

步骤S504中，判断写是IO是否未命中，是则转到步骤S507，否则转到步骤S506；

步骤S505中，读命令从SSD返回，命令继续向上返回；

步骤S506中，IO redirector下发对应LBA(LogicalBlockAddressing)逻辑块寻址；范围的trim命令到SSD；

步骤S507中，命令从SSD返回；

步骤S508中，IO redirector将IO重定向到目标设备；

步骤S509中，判断IO对应数据是否缓存，是则转到步骤S510；

步骤S510中，IO redirector下发对应LBA范围的写命令到SSD。

在该实施例中，通过固态硬盘101进行缓存的设备即为目标设备，该目标设备IO先经过IO redirector派发到SSD中，SSD FTL模块处理该IO，对于写命令，先判断是否在SSD中命中，如果未命中，直接返回invalid，IO redirector将IO重定向到目标设备中，如果命中，直接返回non_write,然后IO redirector构建trim命令下发到SSD中（也就是说SSD中对应的数据标识为无效）并将IO重定向到目标设备；对于读命令，如果命中，读命令返回OK，如果未命中，返回invalid，然后IO redirector将该IO重定向到目标设备，同时决定该IO对应的数据是否写入SSD中加速，为了优化处理，如果决定缓存该IO数据，该读IO不必等待对应数据写入SSD后返回。

在本发明又一实施例中，提供了一种用于所述利用固态硬盘101作为设备读缓存的系统100的固态硬盘101，该固态硬盘101的具体结构在上述多个实施中均有描述，在此不再赘述。

综上所述，本发明通过利用固态硬盘高速存储性能以及对传统FTL的垃圾回收作修改，由固态硬盘的闪存转换层为设备提供读写接口，并存储所述设备的缓存数据；所述固态硬盘的闪存转换层在检测到所述固态硬盘的空闲块小于预设的阈值时，将目标块擦除。由此，可高效地将SSD作为慢速块设备的读缓存，提高慢速块设备读命令处理速度。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用固态硬盘作为设备读缓存的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A、固态硬盘的闪存转换层为设备提供读写接口，并存储所述设备的缓存数据；

B、所述固态硬盘的闪存转换层在检测到所述固态硬盘的空闲块小于预设的阈值时，将目标块擦除。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括：

B1、根据最近最少使用算法策略选择所述目标块；

B2、在映射表中删除所述目标块中所有页面的映射关系；

B3、擦除所述目标块；

B4、将所述目标块放入空闲链表中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

C、所述设备将读写命令派发到所述固态硬盘；

D、判断所述写命令是否在所述固态硬盘中命中，若命中则构建删除命令下发到所述固态硬盘中；若未命中则将所述读写命令重新定向到所述设备；或者

E、判断所述读命令是否在所述固态硬盘中命中，若命中则所述读命令从所述固态硬盘返回；若未命中则将所述读命令重新定向到所述设备。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述读命令在所述固态硬盘中命中后，将所述读命令对应的数据写入到所述固态硬盘中加速；

所述读写接口包含的读写命令的信息包括：读写命令类型、逻辑块寻址、读写命令数据长度、读写命令数据缓冲地址。

5.一种利用固态硬盘作为设备读缓存的系统，其特征在于，所述系统包括：

读写接口，设置于固态硬盘的闪存转换层，为设备提供读写接口，并存储所述设备的缓存数据；

擦除模块，设置于所述固态硬盘的闪存转换层，在检测到所述固态硬盘的空闲块小于预设的阈值时，将目标块擦除。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述擦除模块包括：

选择子模块，用于根据最近最少使用算法策略选择所述目标块；

删除子模块，用于在映射表中删除所述目标块中所有页面的映射关系；

擦除子模块，用于擦除所述目标块；

放入子模块，用于将所述目标块放入空闲链表中。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

重定向器，连接于所述设备与所述固态硬盘之间，用于将所述设备的读写命令派发到所述固态硬盘；

判断模块，设置于所述固态硬盘，用于判断所述写命令或者读命令是否在所述固态硬盘中命中；

所述重定向器在若所述判断模块判断所述写命令命中，则构建删除命令下发到所述固态硬盘中；若判断未命中则将所述读写命令重新定向到所述设备；或者

所述重定向器在若所述判断模块判断所述读命令在所述固态硬盘中命中，则将所述读命令从所述固态硬盘返回；若判断未命中则将所述读命令重新定向到所述设备。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述读命令在所述固态硬盘中命中后，所述重定向器将所述读命令对应的数据写入到所述固态硬盘中加速；

所述读写接口包含的读写命令的信息包括：读写命令类型、逻辑块地址、读写命令数据长度、读写命令数据缓冲地址。

9.一种用于所述权利要求5～8任一项所述系统的固态硬盘。

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