CN104462181A - 一种ssd后端数据通路管理加速模块及ssd设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SSD后端数据通路管理加速模块，其特征在于包括了完全由硬件方式实现并自动执行的后端的nfc cmd管理模块，所述nfc cmd管理模块对SSD控制器向nand flash控制器发送的nfc cmd的进行缓存，根据nfc cmd对应的sata cmd tag进行回收，实现了多个nfc bank下并行执行bank间全乱序回收到按照sata cmd之间乱序sata cmd内顺序回收的转换。及应用该加速模块的SSD设备，后端数据通路管理加速模块可以直接返回sata cmd之间乱序sata cmd内顺序的buf node，可以使系统和SSD控制器都不再需要做大量的遍历操作，降低通路上的响应时间进而提升系统整体性能。

Description

一种SSD后端数据通路管理加速模块及SSD设备
技术领域
本发明涉及一种SSD固态硬盘技术，特别涉及一种SSD后端数据通路管理加速模块及SSD设备。
背景技术
相关名词解释：
SSD：Solid State Drive，固态硬盘，与传统的机械硬盘相对应，是基于nand flash的存储设备。
Sata：Serial Advanced Technology Attachment，串行高级技术附件，一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口协议。
Host：主机。
Device：本专利文件指SSD设备。
Sata cmd：sata命令，本专利文件指host发出用来通知device进行数据传输的命令行为。
front-end data path：前端数据通路，SATA<->DRAM之间的通路。
back-end data path：后端数据通路，DRAM<->nand之间的通路
ncq cmd：Native Command Queuing，原生命令队列，Sata cmd的一种。
FPDMA：First Party DMA，单方DMA。
Hw，hardware：硬件。
Fw，firmware：固件，本专利文件指的是SSD控制器的固件。
Buf node：缓冲区节点。
Sata cmd tag：在ncq cmd的情况下，host在发送这些cmd的时候标记，用于对这些cmd进行区分。
Outstanding cmd：ncq情况下device端的cmd个数。
Xfer cmd：本专利文件指前端已经由Fw提交到Hw的进入hw xfer序列的cmd。
Xfer cmd idx：表明xfer cmd的顺序。
Buf node submit cnt：sw本次向hw提交的buf node个数。
Buf node reclaim cnt：hw本次向fw释放的已经传输完毕的buf node个数
Bank：一种抽象的nand控制器对nand颗粒可以进行并行操作的级别。
nfc：nand flash controller，nand flash控制器，是SSD主控中用于对nandflash颗粒控制的硬件模块。
nfc cmd：nand flash控制器操作命令。
对于基于SATA/SATA-E接口协议的SSD，按照SATA协议数据传输的要求，satacmd内数据buf node要求严格顺序，而按照性能提升的要求，sata cmd之间数据buf node要求乱序。
SSD后端一般采用nand阵列实现，nand flash controller将多个nand颗粒按照ch/ce/lun进行管理，ch/ce/lun之间可以并行操作以提升性。Ch/ce/lun统一抽象为bank，实际情况下，nfc cmd在bank上的分布是不均衡，由于各个bank之间的并行性，会出现后提交的nfc cmd的bank操作比先交的nfc cmd的bank先完成的情况，即bank间nfc cmd的乱序，在同一个bank内操作的完成仍然是顺序，即bank内顺序。
Bank之间nfc cmd的乱序与bank内顺序需要转化为sata cmd之间buf node乱序sata cmd内buf node顺序，这一转化目前主要由SSD控制器上的软件来实现，主要有两类具体实现方案：
第一类，在后端按照sata cmd建立回收list矩阵，按照sata cmd内顺序cmd间乱序的规律进行被动回收，nfc bank做完成状态标记，这种方案需要SSD控制器上的软件经常性的按照cmd遍历回收矩阵，确认各个cmd的下一个node是否可以回收。
第二类，在前端按照sata cmd建立软件xfer矩阵，进行主动排序回收，这种方案需要SSD控制器上的软件按照新拿到的buf node寻找到对应的cmd并遍历buf node list，将新拿到的buf node插入到buf node list的适当位置，同时这种方案需要在每个buf node中做顺序标记。
不论是第一类方案还是第二类方案均需要SSD控制器上的软件经常性的做遍历操作，会消耗大量的cpu计算资源，会引起通路上的响应时间的增加，进一步影响系统性能，同时第二类方案还会增加memory需求。
发明内容
针对以上缺陷，本发明目的在于提出了在不需要额外消耗系统SSD控制器的memory和cpu的资源前提下，将SSD控制器的nfc cmd序列，按照bank之间nfc cmd的乱序与bank内顺序的规则要求进行重新调度，不引起通路上的响应时间增加的前提下实现sata cmd之间buf node乱序sata cmd内buf node顺序的目的，进而达到整体提升系统性能的目的。
为了实现上述目的，本发明提供了一种SSD后端数据通路管理加速模块，其特征在于包括了完全由硬件方式实现并自动执行的后端的nfc cmd管理模块，所述nfc cmd管理模块对SSD控制器向nand flash控制器发送的nfc cmd的进行缓存，根据nfc cmd对应的sata cmd tag进行回收，实现了多个nfc bank下并行执行，bank间全乱序回收和按照sata cmd之间乱序sata cmd内顺序回收的转换。
所述的SSD后端数据通路管理加速模块，所述nfc cmd管理模块上建立有固定长度的nfc cmd接收队列、还依据nand flash的bank数量，设置相同数量bank命令映射通道，每个bank命令映射通道都设有nfc cmd执行点和nfc cmd就绪点；nfc cmd接收队列依据SSD控制器提交的nfc cmd的时间顺序依次进入nfc cmd接收队列，nfc cmd接收队列上的每个队列元素包括nfc cmd进入nfc cmd接收队列的序号nfc cmd idx、nfc cmd需要操作的band序号bank id、nfc cmd详细信息的ram地址、nfc cmd的状态信息status、产生nfc cmd对应的nfc cmd的sata cmd tag；nfc cmd执行点拷贝有每个bank上正在执行的nfc cmd，并按照拷贝有的nfc cmd实际执行与bank的交互，nfc cmd就绪点拷贝有每个bank上下一个准备执行的nfc cmd。
所述的SSD后端数据通路管理加速模块，其特征在于所述的nfc cmd管理模块按照如下步骤进行转换：
步骤1：nfc cmd管理模块接收fw提交的nfc cmd；
步骤2：依据接收到的nfc cmd内容将本次接收到的nfc cmd对应的队列元素进行入队操作，对应的s tatus设置为pending状态，并将对应bank序号的命令计数器cmd pending cnt加1；
步骤3：nfc cmd管理模块检查各个bank序号的就绪点是否有nfc cmd，如果不为空则不做操作；如果为空，则判断对应nfc bank序号的cmd pending cnt是否＞0，如果为0则不做操作；如果＞0检索nfc cmd队列，将nfc cmd队列中对应相同bank序号、状态为pending、且nfc cmd idx最小的nfc cmd拷贝到对应相同bank序号的就绪点，同时将nfc cmd队列中该队列元素的状态设置为ready，对应nfc bank序号的cmd pending cnt减1；
步骤4：nfc cmd管理模块检查各个bank序号的执行点是否为空，如果为空则检查对应的就绪点是否为空，如果也为空，则不做操作，如果就绪点不为空，则将就绪点转换为执行点，同时将nfc cmd接收队列中该队列元素的状态设置为exe状态；如果当前执行点不为空，nfc cmd管理模块监控当前nfc cmd是否执行完毕，监控到当前nfc cmd执行完毕，将nfc cmd接收队列中该队列元素的状态设置为done，同时触发nfc cmd接收队列的出队操作；
步骤5：当nfc cmd管理模块被触发出对操作，nfc cmd管理模块从nfc cmdidx最小的队列元素开始，将sata cmd tag相同且状态为done的队列元素逐一进行出队操作，当出现状态为非done时，则终止本次出队操作。
所述的SSD后端数据通路管理加速模块，其特征在于所述的nfc cmd接收队列可缓存的nfc cmd数量为可并行访问的nand flash的bank数的整数倍。
还提供了一种SSD设备，其特征在于在SSD控制器与nand flash之间还设有所述的SSD后端数据通路管理加速模块，所述的SSD后端数据通路管理加速模块包括了完全由硬件方式实现并自动执行的后端的nfc cmd管理模块，所述nfc cmd管理模块对SSD控制器向nand flash控制器发送的nfc cmd的进行缓存，根据nfc cmd对应的sata cmd tag进行回收，实现了多个nfc bank下并行执行bank间全乱序回收到按照sata cmd之间乱序sata cmd内顺序回收的转换。
本发明实现了一种硬件支持的后端数据通路管理加速模块及应用该模块的ssD设备，后端数据通路管理加速模块可以直接返回sata cmd之间乱序sata cmd内顺序的buf node，可以使系统和SSD控制器都不再需要做大量的遍历操作，降低通路上的响应时间进而提升系统整体性能。
附图说明
图1是fw提交nfc cmd的操作示意图；
图2是nand flash执行nfc cmd的操作流程示意图；
图3是nfc cmd管理模块pop out操作流程示意图；
图4是nfc cmd管理模块状态cmd pop out状态1示意图；
图5是nfc cmd管理模块状态cmd pop out状态2示意图
图6是nfc cmd管理模块状态cmd pop out状态3示意图；
图7是nfc cmd管理模块状态cmd pop out状态4示意图；
图8是nfc cmd管理模块状态cmd pop out状态5示意图；
图9是nfc cmd管理模块状态cmd pop out状态6示意图；
图10是nfc cmd管理模块状态cmd pop out状态7示意图；
图11是nfc cmd管理模块状态cmd pop out状态8示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
SSD后端数据通路管理加速模块由硬件协助软件完成，硬件提供nfc cmdsubmit and reclaim buf用于整个后端的nfc cmd管理，位于硬件内部，管理细节对fw透明，fw主要关心是否有剩余空间可以提交新的cmd，buf中可以容纳的总共nfc cmd个数为bank数*4；
图1是fw提交nfc cmd的操作示意图；fw接收到系统的指令，如本系统的接口类型为sata接口标准，则为sata cmd，同一个sata cmd一般都是同时涉及对多个bank上的数据访问，因此fw根据其涉及到的bank和访问的顺序，进一步拆分为一定顺序的buf node；fw检查nfc cmd接收队列hw nfc cmd submit andrecla im buf，判断是否有剩余空间，如果有剩余空间则将buf node转换为nfccmd，并将nfc cmd提交给nfc cmd接收队列hw nfc cmd submit and rec la im buf，开始执行nfc cmd接收队列的入队操作；如果无剩余空间，则等待到有剩余空间。hw nfc cmd submi t and rec la im buf检测fw提交新的nfc cmd，hw nfc cmd submi tand reclaim buf将对应该nfc cmd对应bank的cmd pending cnt加1。
图2是nand flash执行nfc cmd的操作流程示意图；各个不同状态的cmd都简称对应状态+cmd各个的bank各自检查当前hw nfc cmd submit and reclaimbuf中是否同时存在exe cmd和ready cmd，有则等待nfc bank上对应的cmd执行完毕。如果无则判断无exe cmd但存在ready cmd，则对应bank转化ready cmd为exe cmd并开始执行，则开始执行判断对应bank对应的cmd pending cnt是否大于0；如果无exe cmd也无ready cmd，则也开始执行对应bank对应的cmdpending cnt是否大于0，对应bank从nfc cmd submit and reclaim buf获取最早提交的本bank的pending cmd的copy，并转化为ready cmd。
Bank完成当前的exe cmd执行，bank更新nfc cmd submit and reclaim buf中cmd状态为done；nfc cmd submit and reclaim buf从cmd idx最小的cmd开始遍历sata cmd tag相同的cmd，判断当前遍历到的cmd的status是否为done如果当前遍历到的cmd pop out，就是移出nfc cmd submit and reclaim buf，再重新开始从nfc cmd submit and reclaim buf从cmd idx最小的cmd开始遍历sata cmd tag相同的cmd，一直循环执行到当前遍历到的cmd状态为非done状态，结束本轮的pop out流程。
下面结合图4到图11举例说明具体的过程。设nand flash的bank数量为4，分别为bank0、bank1、bank2、bank3；nfc cmd管理模块上nfc cmd接收队列的长度为4*4，设置相同4个bank命令映射通道hw nfc bank，分别为nfc bank0、nfc bank1、nfc bank2、nfc bank3，各个bank对应的cmd pendingcnt分别为：cmd0pending cnt、cmd1pending cnt、cmd2pending cnt、cmd3pending cnt。某一时刻，fw连续向nfc cmd submit and reclaim buf提交了9条cmd，即nfc cmd0-8属于tag0的sata cmd有nfc cmd5-nfc cmd8，需要操作的是nfc bank2-2-3-3，属于tag1的sata cmd有nfc cmd0-nfccmd4，需要操作的是nfc bank0-0-1-0-0，按照sata协议的要求，nfc cmd08获取的数据需要分别顺序的返回给host。
图5是nfc cmd管理模块状态cmd pop out状态1示意图；该状态显示nfc cmd0-nfc cmd7已经按顺序进入了SSD后端数据通路管理加速模块队列中，nfc cmd8正在进入，所有cmd的状态都为pending。
图6是nfc cmd管理模块状态cmd pop out状态2示意图；由于每一个bank上能容纳一条exe cmd和一条ready cmd，nfc cmd0、nfc cmd2、nfc cmd5、nfc cmd7被四个bank分别转化为exe cmd，nfc cmd1、nfc cmd6、nfc cmd8分别被转化为ready cmd，由于bank0已经满了nfc cmd3、nfc cmd4仍然保持pending状态。
根据图7和图8所示，nfc cmd0执行完毕后启动pop out流程将nfc cmd0pop out，发现同属于sata cmd0的nfc cmd1状态非done，则退出pop out流程，此次pop out掉了nfc cmd0。nfc cmd2执行完毕后启动pop out流程发现同属于sata cmd0的nfc cmd1状态非done，则退出pop out流程，此次流程没有cmd pop out出去。nfc cmd5执行完毕后启动pop out流程将nfc cmd5pop out，发现同属于sata cmd1的nfc cmd6状态非done，则退出pop out流程，此次pop out掉了nfc cmd5。nfc cmd7执行完毕启动pop out流程发现同属于sata cmd1的nfc cmd6状态非done，则退出pop out流程，此次流程没有cmd pop out出去。可以看到，nfc cmd2和7虽然完成了，但是并没有pop out出去，同时为了提升系统性能，分属于sata cmd0和sata cmd1的nfc cmd0和5交替pop out出去了，这样既满足了sata cmd内顺序的要求又充分利用了nfc bank间返回的乱序性实现了sata cmd间buf node的乱序返回。nfc cmd1-6-8转化为exe cmd，nfc cmd3转化为ready cmd，nfc cmd4仍然为pending。
如图8和图9所示。nfc cmd1执行完毕启动pop out流程将nfc cmd1popout，同时检查到同属于sata cmd0的nfc cmd2状态为done，pop out nfc cmd2，检查到同属于sata cmd0的nfc cmd3状态为非done，则退出pop out流程，此次pop out掉了nfc cmd1-2。类似的情况nfc cmd6完成会pop out nfccmd6-7。Nfc cmd8完成会pop out nfc cmd8。可以看到，受限于sata要求的cmd内顺序回收，上一轮没有pop出去的nfc cmd2-7这次在前面堵塞的nfccmd pop out后也立即被pop out了，这样保证了满足sata cmd内顺序的需求下尽可能的提升效率。
如图9、图10和图11所示，nfc cmd3和4完成后分别pop out掉自身，最终放入到nfc cmd reclaim的nfc cmd顺序为0-5-1-2-6-7-8-3-4，分别归属于sata cmd0-1-0-0-1-1-1-0-0，这做到了sata cmd之间乱序回收，从sata角度看，sata cmd0和1分别对应的nfc cmd idx返回顺序为0-1-2-3-4，5-6-7-8保证了sata cmd内的顺序回收。
以上所揭露的仅为本发明一种实施例而已，当然不能以此来限定本之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种SSD后端数据通路管理加速模块，其特征在于包括了完全由硬件方式实现并自动执行的后端的nfc cmd管理模块，所述nfc cmd管理模块对SSD控制器向nand flash控制器发送的nfc cmd的进行缓存，根据nfc cmd对应的satacmd tag进行回收，实现了多个nfc bank下并行执行，bank间全乱序回收和按照sata cmd之间乱序sata cmd内顺序回收的转换。
2.根据权利要求1所述的SSD后端数据通路管理加速模块，所述nfc cmd管理模块上建立有固定长度的nfc cmd接收队列、还依据nand flash的bank数量，设置相同数量bank命令映射通道，每个bank命令映射通道都设有nfc cmd执行点和nfc cmd就绪点；nfc cmd接收队列依据SSD控制器提交的nfc cmd的时间顺序依次进入nfc cmd接收队列，nfc cmd接收队列上的每个队列元素包括nfccmd进入nfc cmd接收队列的序号nfc cmd idx、nfc cmd需要操作的band序号bank id、nfc cmd详细信息的ram地址、nfc cmd的状态信息status、产生nfc cmd对应的nfc cmd的sata cmd tag；nfc cmd执行点拷贝有每个bank上正在执行的nfc cmd，并按照拷贝有的nfc cmd实际执行与bank的交互，nfc cmd就绪点拷贝有每个bank上下一个准备执行的nfc cmd。
3.根据权利要求2所述的SSD后端数据通路管理加速模块，其特征在于所述的nfc cmd管理模块按照如下步骤进行转换：
步骤1：nfc cmd管理模块接收fw提交的nfc cmd；
步骤2：依据接收到的nfc cmd内容将本次接收到的nfc cmd对应的队列元素进行入队操作，对应的status设置为pending状态，并将对应bank序号的命令计数器cmd pending cnt加1；
步骤3：nfc cmd管理模块检查各个bank序号的就绪点是否有nfc cmd，如果不为空则不做操作；如果为空，则判断对应nfc bank序号的cmd pending cnt是否＞0，如果为0则不做操作；如果＞0检索nfc cmd队列，将nfc cmd队列中对应相同bank序号、状态为pending、且nfc cmd idx最小的nfc cmd拷贝到对应相同bank序号的就绪点，同时将nfc cmd队列中该队列元素的状态设置为ready，对应nfc bank序号的cmd pending cnt减1；
步骤4：nfc cmd管理模块检查各个bank序号的执行点是否为空，如果为空则检查对应的就绪点是否为空，如果也为空，则不做操作，如果就绪点不为空，则将就绪点转换为执行点，同时将nfc cmd接收队列中该队列元素的状态设置为exe状态；如果当前执行点不为空，nfc cmd管理模块监控当前nfc cmd是否执行完毕，监控到当前nfc cmd执行完毕，将nfc cmd接收队列中该队列元素的状态设置为done，同时触发nfc cmd接收队列的出队操作；
步骤5：当nfc cmd管理模块被触发出对操作，nfc cmd管理模块从nfc cmd idx最小的队列元素开始，将sa ta cmd tag相同且状态为done的队列元素逐一进行出队操作，当出现状态为非done时，则终止本次出队操作。
4.根据权利要求3所述的SSD后端数据通路管理加速模块，其特征在于所述的nfc cmd接收队列可缓存的nfc cmd数量为可并行访问的nand flash的bank数的整数倍。
5.一种SSD设备，其特征在于在SSD控制器与nand flash之间还设有所述的SSD后端数据通路管理加速模块，所述的SSD后端数据通路管理加速模块包括了完全由硬件方式实现并自动执行的后端的nfc cmd管理模块，所述nfc cmd管理模块对SSD控制器向nand flash控制器发送的nfc cmd的进行缓存，根据nfccmd对应的sata cmd tag进行回收，实现了多个nfc bank下并行执行bank间全乱序回收到按照8ata cmd之间乱序sata cmd内顺序回收的转换。
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