CN105528301A - 一种NAND Flash闪存垃圾回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种NAND？Flash闪存垃圾回收方法，含有下列步骤：步骤1：若写入数据为此次写请求的第一页数据，则获取当前写请求的待写入数据量大小P_wr；否则，转步骤4执行；步骤2：对闪存进行预搜索，确定此次写数据的最少平均回收次数μ＝B_gc/P_wr；步骤3：以预搜索确定的垃圾回收开销为依据选择回收策略；步骤4：设空闲空间大小为P_erased，除去有效数据占据的闪存空间余下的空间大小为P_free，若P_erased/P_free＞1/4，结束回收；否则，根据步骤3中选定的回收策略确定回收目标块B_victim，将B_victim中的有效页数据迁移至其它干净页中，擦除B_victim完成本次回收。本发明不仅能够提高回收效率，而且可以减小存储管理系统写操作开销，提高系统I/O性能。

Description

一种NAND Flash闪存垃圾回收方法

技术领域

本发明涉及NANDFlash闪存存储管理系统，特别涉及一种NANDFlash闪存垃圾回收方法。

背景技术

NANDFlash闪存存储管理系统中要求无效数据页(即数据垃圾)可以被定期回收，将回收目标块中的有效数据页复制到空闲块中，然后擦除回收目标块，获得被无效数据页占据的闪存空间。

主要有两种方式：第一种是使用贪心策略选择无效数据页最多的闪存块作为目标回收块进行回收；第二种对读写效率进行约束建立数学模型，通过智能算法求解模型选择回收目标块。前者的主要缺点是：当应用具有较高的访问局部性时，忽略了对闪存磨损均衡度的控制，导致闪存使用寿命缩短；后者的主要缺陷是：使用智能算法求解模型时，速度慢，系统计算资源开销大，影响存储管理系统的I/O性能。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术不足，本发明旨在提供一种NANDFlash闪存垃圾回收方法，该方法不仅能够提高回收效率，而且可以减小存储管理系统写操作开销，提高系统I/O性能。

本发明的技术方案：

一种NANDFlash闪存垃圾回收方法，含有下列步骤：

步骤1：若写入数据为此次写请求的第一页数据，则获取当前写请求的待写入数据量大小P_wr；否则，转步骤4执行；

步骤2：对闪存进行预搜索，确定此次写数据的最少平均回收次数μ＝B_gc/P_wr，其中，B_gc为预搜索共确定的回收目标块数，最少平均回收次数μ作为对垃圾回收开销大小的衡量标准；

步骤3：以预搜索确定的垃圾回收开销为依据选择回收策略；考察最少平均回收次数μ＝B_gc/P_wr，设定阈值δ，若μ＜δ，则使用式(1)计算搜索区段内每个闪存块的回收优先级PL(j)，选择PL(j)值最小的闪存块作为回收目标块B_victim；若μ＞δ，则选择区段内含有效数据页最少的闪存块作为回收目标块B_victim；其中δ为可配置参数，用于控制垃圾回收操作的开销；

$PL\left(j\right)=(1-\mathrm{\λ})\frac{valid\left(j\right)}{{\mathrm{Th}}_{valid}}+\mathrm{\λ}\left(\frac{erasures\left(j\right)-{\min }_i\left\{erasures\left(i\right)\right\}}{{\max }_i\left\{erasures\left(i\right)\right\}-{\min }_i\left\{erasures\left(i\right)\right\}}\right)---\left(1\right)$

其中，valid(j)、erasures(j)分别表示当前搜索范围内第j块的有效页数和擦除次数，Th_valid为确定回收目标块的有效页阈值，max_i{erasures(i)}、min_i{erasures(i)}分别表示当前搜索范围内所有闪存块中最大、最小擦除次数，λ∈[0,1]为可配置参数，用于控制磨损因素在回收块选择策略中的比重；

步骤4：设空闲空间大小为P_erased，除去有效数据占据的闪存空间余下的空间大小为P_free，若P_erased/P_free＞1/4，结束回收；否则，根据步骤3中选定的回收策略确定回收目标块B_victim，将B_victim中的有效页数据迁移至其它干净页中，擦除B_victim完成本次回收。

步骤2中的预搜索使用重叠式的区段搜索方式查找回收目标块，具体过程为：将闪存存储空间划分为大小相等的若干区段，每个区段包含等量的闪存块；每次垃圾回收搜索一个区段，本次垃圾回收开始位置为前一次垃圾回收确定的目标回收块之后的第一个闪存块；若搜索至最后一个闪存块，则重新回到第一个闪存块继续搜索。

步骤2中最少平均回收次数μ的计算过程为：设当前写请求数据量为P_wr，在向闪存写入数据前，若闪存需要进行垃圾回收，则对闪存进行一次预搜索，每次搜索长度为闪存的一个确定区段，若存在一个闪存块，闪存块中有效页数P_valid在其所处区段中最小，且小于预设阈值Th_valid，则该闪存块被确定为本次写请求的一个回收目标块，并判定是否继续搜索；设预搜索共确定回收目标块数B_gc，则以μ＝B_gc/P_wr表示本次写请求的最少平均回收次数。

预设阈值Th_valid的计算过程为：首先设定一个基本阈值Th₀和阈值上限Th_max，设连续k次未能找到有效页数小于Th₀的闪存块，则按式(2)更新有效页阈值，其中有效页阈值Th_valid＜Th_max；

${\mathrm{Th}}_{valid}=\{\begin{array}{cc}{\mathrm{Th}}_0,& k\≤2\\ {\mathrm{Th}}_0+2k,& k>2\end{array}---\left(2\right)$

步骤2中的预搜索的具体实施步骤为：

步骤2.1：初始化写请求将回收的闪存块数B_gc＝0，获取当前写请求数据量P_tmp＝P_wr；

步骤2.2：设空闲空间大小为P_erased，除去有效数据占据的闪存空间余下的空间大小为P_free，若P_erased/P_free>1/4，则不需要进行垃圾回收，跳转至步骤2.5执行；

步骤2.3：按照式(2)计算有效页阈值Th_valid；

步骤2.4：对一个区段进行预搜索；若第j块的有效页数P_valid(j)＜Th_valid，且是区段内所有块中有效页数最少的，检查此块是否已经被标记为回收目标块，若是，则继续检查下一块；否则，将该块标记为预搜索回收目标块，更新相关数据：B_gc＝B_gc+1，P_erased＝P_erased+P_valid(j)-1，P_free＝P_free-1，跳转至步骤2.6执行；

步骤2.5：未找到可回收目标块，P_free＝P_free-1，P_erased＝P_erased-1；

步骤2.6：P_tmp＝P_tmp-1。若P_tmp＝0，清除所有预搜索确定的回收目标块标记，计算最少平均回收次数μ＝B_gc/P_wr，返回μ值，结束；否则，跳转至步骤2.2执行。

本发明的有益效果：

1.本发明采用重叠式的区段搜索方式查找回收目标块和动态的有效页阈值加强了对较脏块集中区域的回收，提高了查找回收目标块的效率。

2.针对在回收过程中兼顾磨损均衡将导致写性能下降的问题，设定两种回收目标块选择策略，根据预搜索确定的最少平均回收次数自适应地选择不同的策略查找合适的脏块进行回收。

3.本发明的实施可有效减少写操作过程中的垃圾回收开销，提高闪存存储管理系统的吞吐量，同时对磨损均衡度进行了一定控制，延长NANDFlash闪存的使用寿命。

附图说明

图1为本发明重叠式的区段搜索方式的原理示意图。

具体实施方式

参见图1所示，一种NANDFlash闪存垃圾回收方法，含有下列步骤：

步骤1：若写入数据为此次写请求的第一页数据，则获取当前写请求的待写入数据量大小P_wr；否则，转步骤4执行；

步骤2：对闪存进行预搜索，确定此次写数据的最少平均回收次数μ＝B_gc/P_wr，其中，B_gc为预搜索共确定的回收目标块数，最少平均回收次数μ作为对垃圾回收开销大小的衡量标准；

步骤3：以预搜索确定的垃圾回收开销为依据选择回收策略；考察最少平均回收次数μ＝B_gc/P_wr，设定阈值δ，若μ＜δ，则使用式(1)计算搜索区段内每个闪存块的回收优先级PL(j)，磨损程度越轻、含有效数据页越少的闪存块，其回收优先级越高，选择PL(j)值最小(即优先级最高)的闪存块作为回收目标块B_victim；若μ＞δ，则选择区段内含有效数据页最少的闪存块作为回收目标块B_victim；其中δ为可配置参数，用于控制垃圾回收操作的开销；

$PL\left(j\right)=(1-\mathrm{\λ})\frac{valid\left(j\right)}{{\mathrm{Th}}_{valid}}+\mathrm{\λ}\left(\frac{erasures\left(j\right)-{\min }_i\left\{erasures\left(i\right)\right\}}{{\max }_i\left\{erasures\left(i\right)\right\}-{\min }_i\left\{erasures\left(i\right)\right\}}\right)---\left(1\right)$

其中，valid(j)、erasures(j)分别表示当前搜索范围内第j块的有效页数和擦除次数，Th_valid为确定回收目标块的有效页阈值，max_i{erasures(i)}、min_i{erasures(i)}分别表示当前搜索范围内所有闪存块中最大、最小擦除次数，λ∈[0,1]为可配置参数，用于控制磨损因素在回收块选择策略中的比重；

步骤4：设空闲空间大小为P_erased，除去有效数据占据的闪存空间余下的空间大小为P_free，若P_erased/P_free＞1/4，结束回收；否则，根据步骤3中选定的回收策略确定回收目标块B_victim，将B_victim中的有效页数据迁移至其它干净页中，擦除B_victim完成本次回收。

步骤2中的预搜索使用重叠式的区段搜索方式查找回收目标块，具体过程为：将闪存存储空间划分为大小相等的若干区段，每个区段包含等量的闪存块；每次垃圾回收搜索一个区段，本次垃圾回收开始位置为前一次垃圾回收确定的目标回收块之后的第一个闪存块；若搜索至最后一个闪存块，则重新回到第一个闪存块继续搜索。

步骤2中最少平均回收次数μ的计算过程为：设当前写请求数据量为P_wr，在向闪存写入数据前，若闪存需要进行垃圾回收，则对闪存进行一次预搜索，每次搜索长度为闪存的一个确定区段，若存在一个闪存块，闪存块中有效页数P_valid在其所处区段中最小，且小于预设阈值Th_valid，则该闪存块被确定为本次写请求的一个回收目标块，并判定是否继续搜索；设预搜索共确定回收目标块数B_gc，则以μ＝B_gc/P_wr表示本次写请求的最少平均回收次数。

预设阈值Th_valid的计算过程为：首先设定一个基本阈值Th₀和阈值上限Th_max，设连续k次未能找到有效页数小于Th₀的闪存块，则按式(2)更新有效页阈值，其中有效页阈值Th_valid＜Th_max；若系统连续若干次未能找到符合阈值条件的回收目标块，则阈值随回收次数逐渐增大，放宽回收条件。使用动态阈值的方式可以提高回收的灵活性。

${\mathrm{Th}}_{valid}=\{\begin{array}{cc}{\mathrm{Th}}_0,& k\≤2\\ {\mathrm{Th}}_0+2k,& k>2\end{array}---\left(2\right)$

步骤2中的预搜索的具体实施步骤为：

步骤2.1：初始化写请求将回收的闪存块数(即回收次数)B_gc＝0，获取当前写请求数据量(单位：页)；

步骤2.2：设空闲空间大小为P_erased，除去有效数据占据的闪存空间余下的空间大小为P_free，若P_erased/P_free>1/4，则不需要进行垃圾回收，跳转至步骤2.5执行；

步骤2.3：按照式(2)计算有效页阈值Th_valid；

步骤2.4：对一个区段进行预搜索；若第j块的有效页数P_valid(j)＜Th_valid，且是区段内所有块中有效页数最少的，检查此块是否已经被标记为回收目标块，若是，则继续检查下一块；否则，将该块标记为预搜索回收目标块，更新相关数据：B_gc＝B_gc+1，P_erased＝P_erased+P_valid(j)-1，P_free＝P_free-1，跳转至步骤2.6执行；

步骤2.5：未找到可回收目标块，P_free＝P_free-1，P_erased＝P_erased-1；

步骤2.6：P_tmp＝P_tmp-1。若P_tmp＝0，清除所有预搜索确定的回收目标块标记，计算最少平均回收次数μ＝B_gc/P_wr，返回μ值，结束；否则，跳转至步骤2.2执行。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种NANDFlash闪存垃圾回收方法，其特征在于：含有下列步骤：

步骤1：若写入数据为此次写请求的第一页数据，则获取当前写请求的待写入数据量大小P_wr；否则，转步骤4执行；

步骤2：对闪存进行预搜索，确定此次写数据的最少平均回收次数μ＝B_gc/P_wr，其中，B_gc为预搜索共确定的回收目标块数，最少平均回收次数μ作为对垃圾回收开销大小的衡量标准；

步骤3：以预搜索确定的垃圾回收开销为依据选择回收策略；考察最少平均回收次数μ＝B_gc/P_wr，设定阈值δ，若μ＜δ，则使用式(1)计算搜索区段内每个闪存块的回收优先级PL(j)，选择PL(j)值最小的闪存块作为回收目标块B_victim；若μ＞δ，则选择区段内含有效数据页最少的闪存块作为回收目标块B_victim；其中δ为可配置参数，用于控制垃圾回收操作的开销；

其中，valid(j)、erasures(j)分别表示当前搜索范围内第j块的有效页数和擦除次数，Th_valid为确定回收目标块的有效页阈值，max_i{erasures(i)}、min_i{erasures(i)}分别表示当前搜索范围内所有闪存块中最大、最小擦除次数，λ∈[0,1]为可配置参数，用于控制磨损因素在回收块选择策略中的比重；

步骤4：设空闲空间大小为P_erased，除去有效数据占据的闪存空间余下的空间大小为P_free，若P_erased/P_free＞1/4，结束回收；否则，根据步骤3中选定的回收策略确定回收目标块B_victim，将B_victim中的有效页数据迁移至其它干净页中，擦除B_victim完成本次回收。

2.根据权利要求1所述的一种NANDFlash闪存垃圾回收方法，其特征在于：所述步骤2中的预搜索使用重叠式的区段搜索方式查找回收目标块，具体过程为：将闪存存储空间划分为大小相等的若干区段，每个区段包含等量的闪存块；每次垃圾回收搜索一个区段，本次垃圾回收开始位置为前一次垃圾回收确定的目标回收块之后的第一个闪存块；若搜索至最后一个闪存块，则重新回到第一个闪存块继续搜索。

3.根据权利要求1所述的一种NANDFlash闪存垃圾回收方法，其特征在于：所述步骤2中最少平均回收次数μ的计算过程为：设当前写请求数据量为P_wr，在向闪存写入数据前，若闪存需要进行垃圾回收，则对闪存进行一次预搜索，每次搜索长度为闪存的一个确定区段，若存在一个闪存块，闪存块中有效页数P_valid在其所处区段中最小，且小于预设阈值Th_valid，则该闪存块被确定为本次写请求的一个回收目标块，并判定是否继续搜索；设预搜索共确定回收目标块数B_gc，则以μ＝B_gc/P_wr表示本次写请求的最少平均回收次数。

4.根据权利要求3所述的一种NANDFlash闪存垃圾回收方法，其特征在于：所述预设阈值Th_valid的计算过程为：首先设定一个基本阈值Th₀和阈值上限Th_max，设连续k次未能找到有效页数小于Th₀的闪存块，则按式(2)更新有效页阈值，其中有效页阈值Th_valid＜Th_max；

。

5.根据权利要求1所述的一种NANDFlash闪存垃圾回收方法，其特征在于：所述步骤2中的预搜索的具体实施步骤为：

步骤2.1：初始化写请求将回收的闪存块数B_gc＝0，获取当前写请求数据量P_tmp＝P_wr；

步骤2.2：设空闲空间大小为P_erased，除去有效数据占据的闪存空间余下的空间大小为P_free，若P_erased/P_free＞1/4，则不需要进行垃圾回收，跳转至步骤2.5执行；

步骤2.3：按照式(2)计算有效页阈值Th_valid；

步骤2.4：对一个区段进行预搜索；若第j块的有效页数P_valid(j)＜Th_valid，且是区段内所有块中有效页数最少的，检查此块是否已经被标记为回收目标块，若是，则继续检查下一块；否则，将该块标记为预搜索回收目标块，更新相关数据：B_gc＝B_gc+1，P_erased＝P_erased+P_valid(j)-1，P_free＝P_free-1，跳转至步骤2.6执行；

步骤2.5：未找到可回收目标块，P_free＝P_free-1，P_erased＝P_erased-1；

步骤2.6：P_tmp＝P_tmp-1。若P_tmp＝0，清除所有预搜索确定的回收目标块标记，计算最少平均回收次数μ＝B_gc/P_wr，返回μ值，结束；否则，跳转至步骤2.2执行。