CN105159622A - 一种减小ssd读写io时延的方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小SSD读写IO时延的方法与系统，在主机内存中建立一张完整的FTL映射表，从系统的层面减少整个IO路径上对Flash的读次数，从而达到减小读IO时延的目的。本发明最大限度地避免了读IO请求无法命中FTL映射表的现象，减少甚至消除IO过程中从Flash介质上获取映射表项的步骤，降低了系统的平均读IO时延。

Description

一种减小SSD读写IO时延的方法与系统
技术领域
本发明涉及一种减小SSD读写IO时延的方法与系统。
背景技术
现有SSD主控通过FTL映射表项记录主机逻辑地址与Flash物理地址之间的映射关系。随着SSD提供的存储空间增大，映射表项的个数也逐渐增多。以2T的SSD容量来看，假设映射粒度为4KByte，每个映射表项占用6个Byte，那么FTL映射表项占用的空间大小为(2T/4K)*6Byte＝3GByte大小。
由于CPU访问RAM的性能远远高于访问Flash介质的性能，考虑性能原因，SSD主控通常通过缓存映射表项的方式来保证IO性能。但对于如此大的FTL映射表项数据，当前的SSD主控无法提供如此大的RAM空间来缓存整张FTL映射表。现有做法是通过采用多级映射表，RAM缓存部分映射表项数据的方式来保证IO性能(如图1所示，其中：FTL二级映射表：用于存放FTL映射表项的系统数据块。考虑SSD主控芯片RAM空间大小的问题，FTL二级映射表通常被分为多块，RAM空间只缓存了部分二级映射表；FTL一级映射表：用于记录二级映射表在缓存中的状态信息(是否缓存在RAM中)，以及二级映射表在Flash上的物理位置。通常FTL一级映射表整张缓存在RAM中。)。
当主机(Host)读IO访问的逻辑地址对应的FTL映射表项不在RAM缓存中时，需要先将映射表项从Flash介质上读取出来，获取映射关系后再找到对应的物理位置读取数据。如果遇到RAM缓存空间不够，还需要先下刷原有的映射表项到Flash介质上，再释放RAM缓存空间。
如图2，目前SSD的性能中，IO时延基本都是微秒级。在SSD内部的IO路径上，SSD主控向Flash接口下发读命令，到数据读到RAM中所花费的时间，大概占整个IO时延的20％左右。如果主机下发的读IO对应的映射表项未在缓存RAM中，需要额外加载一次映射表项，那么相应的读IO时延也要增加20％左右。所以，在随机IO占多数的应用场景里面，这部分时延普遍偏大。当主机下发的逻辑读IO请求经过SSD主控，无法在RAM缓存中命中对应的FTL映射表项时，主控芯片需要从Flash介质上先读取FTL映射表项，再根据FTL映射表项得到数据存放的物理位置，读取对应的数据。相对能够在缓存中命中FTL映射表项的读IO，上述IO过程中增加了一次从Flash介质读取FTL映射表项的操作，极大的增加了IO时延。
本发明用到的名词解释如下：
SSD：SolidStateDrive，固态硬盘，一种利用NandFlash介质存储用户数据的存储装置。
Vendor命令：根据ATA协议规定的格式，厂商自定义的用于主机和硬盘之间，交互数据和信息的厂商自定义命令。
SSD主控：用于管理存放在Nandflash介质上的系统数据和用户数据的SOC芯片。SSD主控通过相关算法与措施，能够极大的提升整个SSD的寿命和可靠性以及性能，是SSD系统中最关键最重要的模块。
LBA：LogicalBlockAddress，主机侧用于访问SSD存储空间的线性逻辑地址。
PBA：PhysicalBlcokAddress，SSD主控访问flash介质的物理地址。
FTL映射表项：FTL(Flashtranslationlayer)映射表项记录了主机逻辑地址到Flash介质物理地址的映射关系。主机下发的读IO请求，为逻辑地址，通过查找对应的映射表项，计算出数据在flash介质上存放的物理地址，然后读出数据。
HIF：HostInterface，主机接口，用于SSD主控与主机之间的数据交互。
FIF：FlashInterface，NandFlash颗粒接口，用于SSD主控与Flash颗粒之间的数据交互。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种减小SSD读写IO时延的方法与系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种减小SSD读写IO时延的方法，包括以下步骤：
1)主机侧加载SSD驱动时，SSD驱动初始化时在内存中分配足够的内存空间，通过vendor命令，读取SSD的整张FTL映射表数据到主机内存，并将所有FTL映射表项均标记为干净表项；
2)主机侧业务下发读IO时，读IO命令经过SSD驱动，SSD驱动查找读IO逻辑地址对应的FTL映射表项，根据FTL映射表项记录的物理地址，下发读物理地址的特殊IO命令到SSD主控；SSD主控收到读IO命令后，检查读IO命令中的相关标记，若发现是读物理地址的特殊IO，直接读取对应Flash物理地址的数据，并返回给主机；主机侧下发写IO命令时，写IO命令经过SSD驱动，将对应的FTL映射表项标记为脏；SSD主控收到写IO命令后，将数据写入Flash，同时更新FTL映射表项，并返回写入结果给主机；当写IO命令返回给主机后，主机向SSD主控下发所述vendor命令，读取对应逻辑地址的FTL映射表项，读取成功后，利用读取出来的表项数据更新主机内存中记录的FTL映射表项，同时将FTL映射表项重新标记为干净。
本发明还提供了一种减小SSD读写IO时延的系统，其包括：
主机：用于加载SSD驱动，并在SSD驱动初始化时在内存中分配足够的内存空间，通过vendor命令，读取SSD的整张FTL映射表数据到主机内存，将所有FTL映射表项均标记为干净表项；下发读IO命令，查找读IO逻辑地址对应的FTL映射表项，根据FTL映射表项记录的物理地址，下发读物理地址的特殊IO命令到SSD主控；下发写IO命令，将对应的FTL映射表项标记为脏；并在收到SSD主控返回的写IO命令后，向SSD主控下发所述vendor命令，读取对应逻辑地址的FTL映射表项，读取成功后，利用读取出来的表项数据更新主机内存中记录的FTL映射表项，同时将被SSD驱动标记为脏的FTL映射表项重新标记为干净；
SSD主控：用于在收到读IO命令后，检查读IO命令中的相关标记，若发现是读物理地址的特殊IO，直接读取对应Flash物理地址的数据，并返回给主机；或者在收到写IO命令后，将数据写入Flash，同时更新FTL映射表项，并返回写入结果给主机；
Flash：用于存放SSD主控写入的数据。
所述主机包括：
APP或上层：用于下发读IO命令或写IO命令；接收SSD主控返回的写IO命令；
SSD驱动：用于在主机侧保存一份完整的SSDFTL映射表的镜像，同时在APP或上层下发读IO命令时，查找读IO逻辑地址对应的FTL映射表项，根据FTL映射表项记录的物理地址，下发读物理地址的特殊IO命令到SSD主控；在APP或上层下发写IO命令时，将对应的FTL映射表项标记为脏；
内存：用于加载SSD驱动，并通过vendor命令，读取SSD的整张FTL映射表数据，将所有FTL映射表项均标记为干净表项；并在APP或上层接收SSD主控返回的写IO命令后，向SSD主控下发vendor命令，读取对应逻辑地址的FTL映射表项，读取成功后，利用读取出来的表项数据更新FTL映射表项，同时将被SSD驱动标记为脏的FTL映射表项重新标记为干净。
进一步地，该系统还包括：
HIF：用于SSD主控与主机之间的数据交互；
FIF：用于SSD主控与Flash颗粒之间的数据交互。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明读取一份完整的FTL映射表镜像到主机内存里，减少整个IO路径上对Flash的读次数，从而达到减小整个读IO时延的目的，最大限度地避免了读IO请求无法命中FTL映射表的现象，减少甚至消除IO过程中从Flash介质上获取映射表项的步骤，降低了系统的平均读写IO时延。
附图说明
图1为SSD主控缓存中的多级映射表；
图2为现有SSD主控结构与主机系统接口与结构框图；
图3为本发明SSD主控结构与主机系统接口与结构框图；
图4为本发明方法时序图。
具体实施方式
本发明的SSD主控结构图如图3所示，主要包括如下几个部分：
一、主机侧SSD驱动
SSD驱动主要负责在主机侧保存一份完整的SSDFTL映射表的镜像，同时负责根据主机侧FTL镜像映射表将过往读IO请求中的逻辑地址转换为物理地址，然后按照接口协议(如SATA和NVMe等)发送给SSD。
主要流程如下：
1、主机侧加载SSD驱动时，在内存中分配足够内存空间。然后通过自定义vendor命令，读取SSD的整张FTL映射表数据到主机内存。此时所有FTL映射表项都标记为干净表项。
2、驱动检测并适配主机侧业务下发的读IO。
主机侧业务下发读IO时，IO命令经过SSD驱动，此时SSD驱动查找IO逻辑地址对应的FTL映射表项，根据表项记录的物理地址，下发读物理地址的特殊IO命令到SSD主控(通过命令的预留字段标记)；SSD主控收到读IO命令过后，首先检查IO命令中的相关标记，发现是读物理地址的特殊IO，直接读取对应Flash物理地址的数据，并返回给主机。
3、驱动检测并处理主机侧业务下发的写IO。
主机侧下发写IO时，IO命令经过SSD驱动，SSD驱动将对应的FTL映射表项标记为脏；当写IO返回过后，SSD驱动再向SSD主控下发自定义vendor命令，读取对应逻辑地址的FTL映射表项，读取成功后，利用新数据更新主机内存中记录的FTL映射表项，同时将FTL映射表项重新标记为干净。
二、SSD主控
SSD主控负责解析主机侧下发的IO命令，并根据命令和相关标记做处理，主要流程如下：
1、SSD主控收到获取整张FTL映射表的自定义vendor命令，从Flash读取整张FTL映射表，并返回给主机。
2、SSD主控收到获取对应逻辑地址的FTL映射表项的自定义vendor命令，返回对应逻辑地址的FTL映射表项给主机(SSD驱动会在写IO更新完FTL映射表项后立即发起该操作，此时FTL映射表项还在RAM中)。
3、SSD主控收到主机侧的读IO命令，检测IO命令中的相关标记(该标记被SSD驱动设置)，如果有该标记，则表示该IO命令中的地址为Flash物理地址，直接根据该地址读取对应Flash地址上存放的数据；如果没有该标记，则按原有方式处理，先在RAM中查找FTL映射表项，如果FTL映射表项未存放在RAM中，则需要从Flash上先读取对应的FTL映射表项，通过表项获取对应的物理地址，再读取数据。
4、SSD主控收到主机侧的写IO命令，找到一新的Flash空间，写入数据，然后在RAM中更新FTL映射表项。
图3中，主机侧的APPorUpperlayer是指主机侧驱动以上的IO发起者，如文件系统或能够直接访问驱动的IO发起者；SSDDriver(驱动)主要负责在主机侧保存一份完整的SSDFTL映射表的镜像，同时负责根据主机侧FTL镜像映射表对过往读IO请求中的逻辑地址转换为物理地址，然后发送给SSD，并将响应结果通过驱动与上层接口返回给上层；SSD主控负责处理来自主机侧的IO请求，检查命令的相关字段，根据字段判断是发起逻辑读数据(通过查找映射表过后获取Flash物理地址)还是直接发起物理读数据(命令携带地址已经是Flash物理地址)；Flash为存放数据的物理介质。
本发明的时序图如图4所示。
以SATA协议举例：
A)用于获取SSD整张FTL映射表数据的vendor命令
获取SSD整张FTL映射表数据的vendor命令(FIS帧及相关参数)，采用SATA的SCT加上特殊地址描述。
其中，Command(0xB0)，表示这是一个ATA的SMART_CMD；
Feature(7:0)(0xD5)，表示这是SMART_CMD里面的SMART_FEATURE_READ_LOG；LBA(7:0)(0xE1)表示这是SCT(SMARTCommandTransport)里面的读取数据；LBA(47:32)(0xC201)，表示这是这是获取SSD的整张FTL映射表的子命令。
B)用于获取SSD单项FTL映射表项的vendor命令
获取SSD单项FTL映射表项的vendor命令(FIS帧及相关参数)，采用SATA的SCT加特殊地址描述。
其中，Command(0xB0)，表示这是一个SATA的SMART_CMD；
Feature(7:0)(0xD5)，表示这是SMART_CMD里面的SMART_FEATURE_READ_LOG；LBA(7:0)(0xE1)表示这是SCT(SMARTCommandTransport)里面的读取数据；LBA(47:32)(0xC202)，表示这是这是获取SSD的FTL映射表项某项的子命令；Auxiliary(31:0)，表示要获取子项的逻辑偏移地址，按具体数据填充。
C)描述读取物理位置数据的特殊IO命令
其中，Command(0x60)表示这是一个SATA的READ_FPDMA_QUEUED命令；LBA(47:0)用来描述数据所在的物理位置信息PBA(经过查询主机侧的FTL映射项获取)；Count(7:0)中的Count(2:1)原协议规定为该命令的预留字段，这里用于标记本命令是读物理地址数据的特殊IO(设置为1)，Count(7:3)为TAG号；其他字段与原有命令保持一致。

Claims (4)

1.一种减小SSD读写IO时延的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）主机侧加载SSD驱动时，SSD驱动初始化时在内存中分配足够的内存空间，通过vendor命令，读取SSD的整张FTL映射表数据到主机内存，并将所有FTL映射表项均标记为干净表项；
2）主机侧业务下发读IO命令时，读IO命令经过SSD驱动，SSD驱动查找读IO命令逻辑地址对应的FTL映射表项，根据FTL映射表项记录的物理地址，下发读物理地址的特殊IO命令到SSD主控；SSD主控收到读IO命令后，检查读IO命令中的相关标记，若发现是读物理地址的特殊IO，直接读取对应Flash物理地址的数据，并返回给主机；主机侧下发写IO命令时，写IO命令经过SSD驱动，将对应的FTL映射表项标记为脏；SSD主控收到写IO命令后，将数据写入Flash，同时更新FTL映射表项，并返回写入结果给主机；当写IO命令返回给主机后，主机向SSD主控下发所述vendor命令，读取对应逻辑地址的FTL映射表项，读取成功后，利用读取出来的表项数据更新主机内存中记录的FTL映射表项，同时将FTL映射表项重新标记为干净。
2.一种减小SSD读写IO时延的系统，其特征在于，包括：
主机：用于加载SSD驱动，并在SSD驱动初始化时在内存中分配足够的内存空间，通过vendor命令，读取SSD的整张FTL映射表数据到主机内存，将所有FTL映射表项均标记为干净表项；下发读IO命令，查找读IO逻辑地址对应的FTL映射表项，根据FTL映射表项记录的物理地址，下发读物理地址的特殊IO命令到SSD主控；下发写IO命令，将对应的FTL映射表项标记为脏；并在收到SSD主控返回的写IO命令后，向SSD主控下发所述vendor命令，读取对应逻辑地址的FTL映射表项，读取成功后，利用读取出来的表项数据更新主机内存中记录的FTL映射表项，同时将被SSD驱动标记为脏的FTL映射表项重新标记为干净；
SSD主控：用于在收到读IO命令后，检查读IO命令中的相关标记，若发现是读物理地址的特殊IO，直接读取对应Flash物理地址的数据，并返回给主机；或者在收到写IO命令后，将数据写入Flash，同时更新FTL映射表项，并返回写入结果给主机；
Flash：用于存放SSD主控写入的数据。
3.根据权利要求2所述的减小SSD读写IO时延的系统，其特征在于，所述主机包括：
APP或上层：用于下发读IO命令或写IO命令；接收SSD主控返回的写IO命令；
SSD驱动：用于在主机侧保存一份完整的SSDFTL映射表的镜像，同时在APP或上层下发读IO命令时，查找读IO逻辑地址对应的FTL映射表项，根据FTL映射表项记录的物理地址，下发读物理地址的特殊IO命令到SSD主控；在APP或上层下发写IO命令时，将对应的FTL映射表项标记为脏；
内存：用于加载SSD驱动，并通过vendor命令，读取SSD的整张FTL映射表数据，将所有FTL映射表项均标记为干净表项；并在APP或上层接收SSD主控返回的写IO命令后，向SSD主控下发vendor命令，读取对应逻辑地址的FTL映射表项，读取成功后，利用读取出来的表项数据更新FTL映射表项，同时将被SSD驱动标记为脏的FTL映射表项重新标记为干净。
4.根据权利要求2或3所述的减小SSD读写IO时延的系统，其特征在于，还包括：
HIF：用于SSD主控与主机之间的数据交互；
FIF：用于SSD主控与Flash颗粒之间的数据交互。
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Application publication date: 20151216

Assignee: Jiangsu Xinsheng Intelligent Technology Co., Ltd.

Assignor: GOKE MICROELECTRONICS CO., LTD.

Contract record no.: 2018430000021

Denomination of invention: Method and system for shortening IO reading and writing time delay of SSD

Granted publication date: 20161012

License type: Common License

Record date: 20181203