CN105630405A - 一种存储系统及采用该存储系统的读写方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种存储系统，包括主机内存与固态硬盘，固态硬盘包括主控芯片、NAND芯片与MRAM，主机内存包括读缓存与固态硬盘的逻辑地址与物理地址对照表，MRAM包括写缓存。本发明还提供采用该存储系统的读写方法。本发明提供的存储系统及采用该存储系统的读写方法，MRAM包括写缓存，能够保证写操作性能，同时减少了写NAND的次数从而延长NAND寿命；主机内存包括读缓存，能够保证读操作性能；把逻辑物理地址对照表和读缓存放在读写更快的主机内存中，提高了系统的性能，同时使得有限容量的MRAM能够更多地用在写缓存中，在控制成本的情况下进一步地提高了性能；不会牺牲随机读写性能，但是要消耗主机中的大量内存，因此这个方案更适合于服务器。

Description

一种存储系统及采用该存储系统的读写方法

技术领域

本发明涉及存储技术领域，具体涉及一种存储系统及采用该存储系统的读写方法。

背景技术

当前，NAND闪存技术的发展推动了SSD产业。如图1所示，SSD与主机之间使用高速串行接口如SATA，PICe等技术。内部由用于存储数据的一组NAND芯片，用于支持计算和缓存数据的DDRDRAM(内存)，以及一个主控芯片(SSDController)组成。有时候还需要断电保护系统。

NAND是一种整块读写的存储设备，最小可读取的单元叫page，最小可擦除的单元叫block，一个block往往由很多page组成，block擦除后里面的page可以进行单独的写入操作。写入操作很慢，比读取慢得多，而擦除操作又比写入更加慢得多。

如图2所示，手机与计算机的文件操作方式如下：

(1)应用软件向操作系统发出打开、关闭、读、写文件指令；

(2)操作系统中的文件系统部分把读、写文件的指令转化为读、写存储块的指令；

(3)NAND驱动与管理软件接受读写存储块区的指令，进行缓存、写均衡等优化，向芯片发出读page，写block等指令。

在手机中，NAND驱动与管理软件通常作为与操作系统紧密相关的软件模块，在主机芯片上运行；在计算机中，NAND驱动与管理软件通常在固态硬盘的主控芯片上运行。

NAND闪存的一个问题是NAND具有有限的寿命。里面的每一个page经过一定次数的擦写以后，就会永久失效不能继续使用。目前的产业发展趋势是NAND的容量和数据密度增长非常快，但却是以降低寿命为代价。可擦写次数从最初的10万次降低到目前的3000次左右。

因为NAND闪存的以上特性，SSD内部的NAND管理软件比较复杂。为了不使某些经常发生写操作的块提前损坏，需要进行写均衡处理。文件系统软件所识别的逻辑地址和物理地址是不同的，需要一个表把二者对应起来。由于NAND擦除太慢，一般修改一内容时不在原来的块区更新，而是把新的内容写到一个新的块区，旧块区标记为无效，等CPU空闲下来再擦除它。这样，逻辑地址物理地址的对照表是不断动态更新的。这个表正比于SSD的总容量，存在DDRDRAM里，另外在NAND里面也有相应的标记。随着市场上SSD容量的迅速增加，这个表成为DRAM最大的消耗者。

由于NAND的读写速度比DRAM慢得多，还可以利用一部分DRAM空间作读、写的缓存(Cache)，提高整个SSD的性能。然而引入写缓存产生了新的问题:一旦发生断电，DRAM缓存中尚未写入NAND的内容会丢失，造成系统丢失数据甚至整个文件系统的损坏。所以必须同时使用昂贵的、体积大的断电保护系统(一般由电池或者大量的电容器组成)。而逻辑-物理地址对照表，在发生断电后，是可以利用NAND中的数据重新构造的，尽管很费时间。

从以上介绍可以看出，SSD的设计遇到了两难：如果不使用写缓存，产品的写入性能大打折扣；如果使用写缓存，必须同时使用昂贵又占体积的断电保护设备，造成费效比很差。

MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。

MRAM的经济性相当好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NORFlash也有优势，比嵌入式NORFlash的优势更大。MRAM的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最小。而且MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容。MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

一种混合使用DRAM和MRAM的固态硬盘，MRAM用于写缓存，DRAM用于保存逻辑地址与物理地址对照表，如图3所示，由于MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据，不再使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本；另一方面将消耗内存最大的逻辑-物理地址对照表保存在成本较低DRAM中，进一步降低了固态硬盘的成本，从而提高了固态硬盘的费效比。

然而DRAM耗电较大，也有额外的成本，因此在对功耗要求很严格的应用中，不使用昂贵的、体积大的断电保护系统，在意外断电时，无法保存已更新的逻辑-物理地址对照表。

如果使用速度快并且断电后保持内容的MRAM取代DRAM，固然可以保证写入性能，且意外断电时仍然能够保存已更新的逻辑-物理地址对照表。但未来相当长一段时间内，MRAM仍然会很贵，因此使用大量的MRAM同样会显著增加固态硬盘的成本。

因此，本领域的技术人员致力于一种存储系统，既能够保证读写性能，又能够降低存储系统成本。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种存储系统，既能够保证写入性能，又能够使用较小的MRAM从而降低存储系统成本。

如果将MRAM用作写缓存，而将系统内存用作读缓存，同时将占用大量空间的NAND芯片的逻辑地址与物理地址对照表存储在系统内存中，这样就可以使用容量较小的MRAM，既能够保证读写性能，又能够降低存储系统成本。

本发明还提供一种采用本发明的存储系统的读方法与一种采用本发明的存储系统的写方法。

本发明提供一种存储系统，包括主机内存与固态硬盘，固态硬盘包括主控芯片、NAND芯片与MRAM，主机内存包括读缓存与固态硬盘的逻辑地址与物理地址对照表，MRAM包括写缓存。

本发明提供的存储系统，MRAM包括写缓存，能够保证写操作性能，同时减少了写NAND的次数从而延长NAND寿命；把逻辑物理地址对照表和读缓存放在读写更快的主机内存中，提高了系统的性能，同时使得有限容量的MRAM能够更多地用在写缓存中，在控制成本的情况下进一步地提高了性能。

进一步地，MRAM通过DDRDRAM接口与固态硬盘的主控芯片连接。

进一步地，MRAM集成于固态硬盘的主控芯片中。

本发明还提供一种采用本发明的存储系统的读方法，包括以下步骤：

(1)文件系统收到读取NAND页指令；

(2)根据NAND页的逻辑地址，搜索NAND页是否在主机内存中的读缓存中，如果在读缓存中，从读缓存中读取数据，执行步骤(8)；如果不在读缓存中，执行步骤(3)；

(3)根据NAND页的逻辑地址，在主机内存中的逻辑地址与物理地址对照表中，查询获得NAND页的物理地址；

(4)根据物理地址搜索要读取的NAND页是否在MRAM中的写缓存中，如果在写缓存中，从写缓存中读取NAND页的数据，执行步骤(6)；如果不在写缓存中，执行步骤(5)；

(5)从NAND芯片中读取NAND页的数据；

(6)如果读缓存中没有空闲页，清理读缓存；

(7)将读取的NAND页的数据存储于读缓存的空闲页中；

(8)读操作结束。

进一步地，步骤(3)中逻辑地址与物理地址对照表在开机时，由文件系统从NAND芯片读取到主机内存中。

采用这种方案，由于将整个逻辑地址与物理地址对照表读取到主机内存中，不会牺牲随机读写性能，但是要消耗主机中的大量内存，因此这个方案更适合于服务器。

进一步地，步骤(3)中逻辑地址与物理地址对照表在关机时或主机空闲时，由文件系统写回NAND芯片。

进一步地，步骤(3)中逻辑地址与物理地址对照表在关机时或主机空闲时，由文件系统将逻辑地址与物理地址对照表的更新部分写回NAND芯片。

本发明还提供一种采用本发明的存储系统的写方法，包括以下步骤：

(1)文件系统收到写NAND页指令；

(2)根据NAND页的逻辑地址，搜索NAND页是否在主机内存中的读缓存中，如果在读缓存中，将写NAND页指令中的数据写入读缓存中相应的缓存页；

(3)根据NAND页的逻辑地址，在主机内存中的逻辑地址与物理地址对照表中，查询获得NAND页的物理地址；

(4)根据物理地址搜索NAND页是否在MRAM中的写缓存中，如果在写缓存中，执行步骤(5)；如果不在写缓存中，执行步骤(6)；

(5)将写NAND页指令中的数据写入写缓存的相应缓存页中，执行步骤(8)；

(6)将写NAND页指令中的数据写入写缓存的空闲页中；

(7)如果写缓存的空闲页少于第一警戒值，清理写缓存；

(8)写操作结束。

与现有技术相比，本发明提供的存储系统及采用该存储系统的读写方法具有以下有益效果：

(1)MRAM包括写缓存，能够保证写操作性能，同时减少了写NAND的次数从而延长NAND寿命；

(2)主机内存包括读缓存，能够保证读操作性能；

(3)把逻辑物理地址对照表和读缓存放在读写更快的主机内存中，提高了系统的性能，同时使得有限容量的MRAM能够更多地用在写缓存中，在控制成本的情况下进一步地提高了性能；

(4)不会牺牲随机读写性能，但是要消耗主机中的大量内存，因此这个方案更适合于服务器。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术中固态硬盘的结构示意图；

图2是现有技术中文件操作流程图；

图3是现有技术中混合使用DRAM和MRAM的固态硬盘的结构示意图；

图4是本发明的一个实施例的存储系统的结构示意图；

图5是采用图4所示的存储系统的读操作的流程图；

图6是采用图4所示的存储系统的写操作的流程图；

图7是本发明的另一个实施例的存储系统的结构示意图；

图8是本发明的又一个实施例的存储系统的结构示意图。

具体实施方式

如图4所示，本发明的一个实施例的存储系统，包括主机内存与固态硬盘，固态硬盘包括主控芯片、NAND芯片与MRAM，主机内存包括读缓存与固态硬盘的逻辑地址与物理地址对照表，MRAM包括写缓存。

MRAM通过DDRDRAM接口与固态硬盘的主控芯片连接。

NAND芯片中存储逻辑地址与物理地址对照表，在开机时，由文件系统从NAND读取到主机内存中。采用这种方案，由于将整个逻辑地址与物理地址对照表读取到主机内存中，不会牺牲随机读写性能，但是要消耗主机中的大量内存，因此这个方案更适合于服务器。

逻辑地址与物理地址对照表在关机时或主机空闲时，由文件系统写回NAND。优选地，在关机时或主机空闲时，由文件系统将逻辑地址与物理地址对照表的更新部分写回NAND芯片。

采用本实施例中的存储系统的读方法，如图5所示，包括以下步骤：

(1)文件系统收到读取NAND页指令；

(2)根据NAND页的逻辑地址，搜索NAND页是否在主机内存中的读缓存中，如果在读缓存中，从读缓存中读取数据，执行步骤(8)；如果不在读缓存中，执行步骤(3)；

(3)根据NAND页的逻辑地址，在主机内存中的逻辑地址与物理地址对照表中，查询获得NAND页的物理地址；

(4)根据物理地址搜索NAND页是否在MRAM中的写缓存中，如果在写缓存中，从写缓存中读取NAND页的数据，执行步骤(6)；如果不在写缓存中，执行步骤(5)；

(5)从NAND芯片中读取NAND页的数据；

(6)如果读缓存中没有空闲页，清理读缓存；

(7)将读取的NAND页的数据存储于读缓存的空闲页中；

(8)读操作结束。

步骤(6)中清理读缓存，可以释放一个很久没有读的缓存页，也可以释放过去一段时间内读频率低的缓存页，本发明对此不作限制。

逻辑地址与物理地址对照表的处理方法：

(1)开机时，主机文件系统将逻辑地址与物理地址对照表，从固态硬盘的NAND中按照双方约定的物理地址读到主机的内存中；

(2)系统运行时，主机文件系统负责维护更新逻辑地址与物理地址对照表，并在空闲时将逻辑地址与物理地址对照表的更新部分写回到固态硬盘的NAND中，每一次写回NAND的操作，主机必须按照写均衡的原则选择一个新的空闲的NAND页，并用这个页的物理地址更新逻辑地址与物理地址对照表；

(3)关机前，主机把所有逻辑地址与物理地址对照表的更新部分写回到固态硬盘的NAND中。

本实施例中的固态硬盘的使用物理地址的写方法，如图6所示，包括以下步骤：

(1)文件系统收到写NAND页指令；

(2)根据NAND页的逻辑地址，搜索NAND页是否在主机内存中的读缓存中，如果在读缓存中，将写NAND页指令中的数据写入读缓存中相应的缓存页；

(3)根据NAND页的逻辑地址，在主机内存中的逻辑地址与物理地址对照表中，查询获得NAND页的物理地址；

(4)根据物理地址搜索NAND页是否在MRAM中的写缓存中，如果在写缓存中，执行步骤(5)；如果不在写缓存中，执行步骤(6)；

(5)将写NAND页指令中的数据写入写缓存的相应缓存页中，执行步骤(8)；

(6)将写NAND页指令中的数据写入写缓存的空闲页中；

(7)如果写缓存的空闲页少于第一警戒值，清理写缓存；

(8)写操作结束。

步骤(2)中将写NAND页指令中的数据写入读缓存中相应的缓存页，是为了保持读缓存中的数据与更新后的数据同步。

如图7所示，本发明的另一个实施例的存储系统，与图4所示的存储系统的区别在于：固态硬盘中还包括DRAM。

如图8所示，本发明的又一个实施例的存储系统，与图4所示的存储系统的区别在于：固态硬盘中MRAM集成于固态硬盘的主控芯片中。

本发明提供的存储系统及采用该存储系统的读写方法，MRAM包括写缓存，能够保证写操作性能，同时减少了写NAND的次数从而延长NAND寿命；主机内存包括读缓存，能够保证读操作性能；把逻辑物理地址对照表和读缓存放在读写更快的主机内存中，提高了系统的性能，同时使得有限容量的MRAM能够更多地用在写缓存中，在控制成本的情况下进一步地提高了性能；不会牺牲随机读写性能，但是要消耗主机中的大量内存，因此这个方案更适合于服务器。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种存储系统，其特征在于，所述存储系统包括主机内存与固态硬盘，所述固态硬盘包括主控芯片、NAND芯片与MRAM，所述主机内存包括读缓存与所述固态硬盘的逻辑地址与物理地址对照表，所述MRAM包括写缓存。

2.如权利要求1所述的存储系统，其特征在于，所述MRAM通过DDRDRAM接口与所述固态硬盘的主控芯片连接。

3.如权利要求1所述的存储系统，其特征在于，所述MRAM集成于所述固态硬盘的主控芯片中。

4.一种采用如权利要求1-3所述的存储系统的读方法，包括以下步骤：

(1)文件系统收到读取NAND页指令；

(2)根据所述NAND页的逻辑地址，搜索所述NAND页是否在主机内存中的读缓存中，如果在所述读缓存中，从所述读缓存中读取数据，执行步骤(8)；如果不在所述读缓存中，执行步骤(3)；

(3)根据所述NAND页的逻辑地址，在主机内存中的逻辑地址与物理地址对照表中，查询获得所述NAND页的物理地址；

(4)根据所述物理地址搜索所述NAND页是否在MRAM中的写缓存中，如果在所述写缓存中，从所述写缓存中读取所述NAND页的数据，执行步骤(6)；如果不在所述写缓存中，执行步骤(5)；

(5)从NAND芯片中读取所述NAND页的数据；

(6)如果所述读缓存中没有空闲页，清理读缓存；

(7)将读取的所述NAND页的数据存储于所述读缓存的空闲页中；

(8)读操作结束。

5.如权利要求4所述的读方法，其特征在于，步骤(3)中逻辑地址与物理地址对照表在开机时，由文件系统从NAND芯片读取到主机内存中。

6.如权利要求5所述的读方法，其特征在于，步骤(3)中逻辑地址与物理地址对照表在关机时或主机空闲时，由文件系统写回NAND芯片。

7.如权利要求5所述的读方法，其特征在于，步骤(3)中逻辑地址与物理地址对照表在关机时或主机空闲时，由文件系统将逻辑地址与物理地址对照表的更新部分写回NAND芯片。

8.一种采用如权利要求1-3所述的存储系统的写方法，包括以下步骤：

(1)文件系统收到写NAND页指令；

(2)根据所述NAND页的逻辑地址，搜索所述NAND页是否在主机内存中的读缓存中，如果在所述读缓存中，将写NAND页指令中的数据写入所述读缓存中相应的缓存页；

(3)根据所述NAND页的逻辑地址，在主机内存中的逻辑地址与物理地址对照表中，查询获得所述NAND页的物理地址；

(4)根据所述物理地址搜索所述NAND页是否在MRAM中的写缓存中，如果在所述写缓存中，执行步骤(5)；如果不在所述写缓存中，执行步骤(6)；

(5)将写NAND页指令中的数据写入所述写缓存的相应缓存页中，执行步骤(8)；

(6)将写NAND页指令中的数据写入所述写缓存的空闲页中；

(7)如果所述写缓存的空闲页少于第一警戒值，清理所述写缓存；

(8)写操作结束。