CN106527987A - 一种不带dram的ssd主控可靠性提升系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不带DRAM的SSD主控可靠性提升系统及方法，提升系统包括：FtoH反向映射表：用于记录当前正在写入数据的NAND Flash块到主机的反向映射关系；FTL HtoF二级表：用于记录一段连续主机逻辑地址到NAND Flash的正向映射关系；FTL一级映射表：用于记录一段连续的NAND Flash地址到主机的反向映射关系。本发明能有效的减少不带DRAM的SSD主控在随机IO模型下，表项的换入换出频率，尽可能避免由于不带DRAM设计所引发的写放大系数增加问题，使不带DRAM的SSD固态硬盘寿命逼近带DRAM的固态硬盘的寿命；可以极大地提升SSD主控的性能。

Description

一种不带DRAM的SSD主控可靠性提升系统及方法

技术领域

本发明涉及SSD固态硬盘应用领域，特别是一种不带DRAM的SSD主控可靠性提升系统及方法。

背景技术

当今在SSD固态硬盘消费级市场，SSD固态硬盘价格已经逐渐逼近传统机械硬盘HDD的价格。为了更进一步的减小SSD固态硬盘的成本，当前消费级SSD固态硬盘已经逐渐由原来的外挂DRAM（见图1，其中：DRAM：动态随机存取存储器，用于存放SSD的整张全部FTL映射表；FTL: Flash映射表，记录主机逻辑地址到NAND Flash物理地址的映射关系；HIF：主机接口，用于接收来自主机的IO命令和数据；NFC：Nand Flash控制器，用于适配NAND Flash颗粒；Buffer：SSD主控内部缓存空间，一般只有几百K空间。）的架构设计演变为不外挂DRAM的架构设计（见图2，其中，FTL一级表：记录所有FTL H2F二级表在NAND Flash上的物理地址。一级表常驻buffer；FTL H2F二级表：主机逻辑地址按照等同空间大小切分成多张二级表，每张二级表描述同样大小的主机逻辑地址空间。每张二级表用于存放这部分逻辑地址空间的主机逻辑地址到flash物理地址的映射关系。所有FTL H2F二级表一起，记录整个主机逻辑地址到物理地址的映射关系。FTL H2F表较大，只能在buffer中缓存很小一部分。通常在IO过程中，需要不停的将buffer中的二级表换出到NAND Flash和从NAND Flash换入到buffer）。这样设计的好处是，整个SSD固态硬盘可以节省掉一个，甚至多个DRAM的价格，进而进一步降低SSD固态硬盘成本。

但是，在节省掉DRAM过后，原本存放于DRAM里面的SSD主控所必须的FTL映射表项，需要利用另一种方法来解决存放问题。而整张FTL映射表项大小，通常为SSD盘容量的千分之一。拿512G的SSD固态硬盘来讲，其FTL映射表项大小通常需要512M的DRAM空间。而在不带DRAM的SSD主控设计下，这么大的FTL表项数据，是无法全部存放在SSD主控内部的buffer中的。

为了解决不带DRAM的SSD主控设计下FTL映射表项的缓存问题，当前几乎所有的不带DRAM的SSD主控，其FTL表项都被设计成2级映射表。其中，第二级映射表根据主机逻辑地址等大小切分成多张表，每张二级表独立描述一个固定主机逻辑地址范围。每个二级表里面的表项，记录一条主机逻辑地址与NAND Flash物理地址的映射关系。所有二级表一起完成记录所有映射关系。

所有二级表存放在NAND Flash上，SSD主控缓存部分二级映射表。当IO对应的FTL表项未命中buffer缓存中的二级表项时，需要先将buffer缓存的原二级映射表下发到NANDFlash，释放buffer后再读取当前IO对应的二级表项到该buffer，得到其映射关系后再行处理。而一级映射表常驻buffer，用来记录每张二级映射表对应的NAND Flash地址，保证二级映射表的换入换出。

二级映射表HtoF的映射关系示意图见图3，由于主机侧IO地址和顺序的不确定性，造成连续主机逻辑块地址对应的flash物理映射块可能完全离散分布。

在上述两级FTL映射表项的设计当中，一旦IO对应的FTL表项未命中buffer缓存，此时就会触发二级表的换入换出，增加二级表写入NAND Flash的数据量。对于随机IO来讲，几乎百分百无法命中FTL表项缓存，由此每一个随机IO都会触发一次二级表的换入换出动作。

一方面，这种系统内数据（非用户数据）的写入会抢占资源，降低性能；另一方面，此种数据写入会增加写放大系数，消耗NAND Flash寿命，从而降低SSD整盘的系统可靠性和寿命。例如，如果每张二级表占4K空间大小，写IO也为4K，那么每一次IO将会触发8K的数据写入NAND，写放大系数达到2。在写放大系数为1的情况下，如果一个SSD固态硬盘的寿命为10年，那么在写放大系数为2的情况下，其寿命将只有5年。

比如，假设buffer只能存放一张二级表HtoF table。分属两个不同HtoF表的IO交叉写数据下来。由于先后两个IO分属两张不同二级表HtoF table，那么每次IO都会触发一次二级表HtoF的下刷行为。假设每次IO大小为4K，每张二级表大小为4K，那么，一次主机4K写IO将会触发8K的数据写入NAND Flash。如果主机前后以这种IO模型一共写入1T的数据，那么实际上写入NAND Flash的数据量将达到2T，写放大系数为2。

本发明中用到的名词解释如下：

SSD主控：用于管理NAND存储介质以及负责数据在主机和NAND间进行数据传输的装置，一方面向主机提供数据的输入输出接口，一方面利用NAND的接口将数据写入NAND或从NAND读取数据。

DRAM：Dynamic Random Access Memory， 动态随机存取存储器。在SSD主控里面，通常用于存放FTL映射表项。

FTL映射表：用于记录数据从主机地址到NANDFlash地址的映射关系，每一种映射关系对应FTL映射表中的一条表项。FTL映射表所占的存储空间通常与SSD盘的容量成正比关系，一般情况下大约为SSD容量的千分之一。

写放大系数：写放大系数是判断SSD固态硬盘可靠性的重要指标，该值越小，表示SSD固态硬盘可靠性越高。写放大系数= NAND Flash实际数据写入总量 / 主机数据写入总量。

NAND Flash：用于存放数据的flash介质。

IO： SSD主控和主机接口的基本处理单元，包括命令协议部分和数据部分。

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，提供一种不带DRAM的SSD主控可靠性提升系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种不带DRAM的SSD主控可靠性提升系统，包括：

FtoH反向映射表：用于记录当前正在写入数据的NAND Flash块到主机的反向映射关系；

FTL HtoF二级表：用于记录一段连续主机逻辑地址到NAND Flash的正向映射关系；

FTL一级映射表：用于记录一段连续的NAND Flash地址到主机的反向映射关系。

相应地，本发明还提供了一种不带DRAM的SSD主控可靠性提升方法，该方法的主要实现过程为：在SSD主控中增加FtoH反向映射表，以记录当前正在写入数据的NAND Flash块到主机的反向映射关系，使得主机侧的IO数据顺序写入NAND Flash上的连续空间，并在FtoH反向映射表描述的物理空间写满后，才触发FTL HtoF二级表的下刷行为。

本发明中，主机侧的IO数据顺序写入NAND Flash上的连续空间，并在FtoH反向映射表描述的物理空间写满后，触发FTL HtoF二级表的下刷行为的具体实现流程包括以下步骤：

1）收到主机IO数据；

2）将所述主机IO数据写入NAND Flash；

3）更新FtoH反向映射表；

4）判断FtoH反向映射表是否已满，若是，则进入步骤5）；否则，进入步骤9）；

5）依次遍历FtoH反向映射表里逻辑地址段相同的FTL HtoF二级表的映射关系；

6）将从FtoH反向映射表里遍历出来的FTL HtoF二级表映射关系更新到FTL HtoF二级表；

7）下刷FTL HtoF二级表；

8）遍历下刷是否结束，若是，则进入步骤9）；否则，遍历FtoH反向映射表里下一个FTLHtoF二级表的内容，然后返回步骤5）；

9）结束。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明能有效的减少不带DRAM的SSD主控在随机IO模型下，表项的换入换出频率，尽可能避免由于不带DRAM设计所引发的写放大系数增加问题，使不带DRAM的SSD固态硬盘寿命逼近带DRAM的固态硬盘的寿命；可以极大地提升SSD主控的性能。

附图说明

图1为现有的带DRAM SSD系统的设计框图；

图2为现有的不带DRAM的SSD系统的设计框图；

图3为二级表H2F映射关系示意图；

图4为本发明的SSD系统设计框图；

图5为本发明F2H反向映射示意图；

图6为本发明表项更新下刷流程图。

具体实施方式

如图4所示，本发明采用FtoH反向映射表记录当前正在写入数据的NAND Flash块到主机的反向映射关系。HtoF映射表记录的是一段连续主机逻辑地址到NAND Flash的正向映射关系；F2H记录的是一段连续的NAND Flash地址到主机的反向映射关系。

FtoH反向映射示意图见图5，无论主机侧的IO地址和顺序如何不确定，其对应的数据都是顺序写入NAND flash上的连续空间的。

本发明的表项下刷流程图见图6，具体包括以下步骤：

1）收到主机IO数据；

2）将所述主机IO数据写入NAND Flash；

3）更新FtoH反向映射表；

4）判断FtoH反向映射表是否已满，若是，则进入步骤5）；否则，进入步骤9）；

5）依次遍历FtoH反向映射表里逻辑地址段相同的FTL HtoF二级表的映射关系；

6）将从FtoH反向映射表里遍历出来的FTL HtoF二级表映射关系更新到FTL HtoF二级表；

7）下刷FTL HtoF二级表；

8）遍历是否下刷结束，若是，则进入步骤9）；否则，遍历FtoH反向映射表里下一个FTLHtoF二级表的内容，然后返回步骤5）；

9）结束。

本发明可以有效解决不带DRAM的SSD主控在随机带热点IO模型下，由于IO无法命中表项导致二级表HtoF频繁换入换出带来的写放大系数较大的问题。本发明使用了FtoH反向映射表来缓存映射关系，即使前后IO分属不同的二级表HtoF table，但其写入NANDFlash的地址是顺序递增的，所以用FtoH表可以描述一段连续flash物理空间所对应的任意主机写入数据。而仅仅当FtoH表描述的物理空间写满过后，才会触发二级表HtoF的下刷行为。

假设FtoH反向映射表可以存放8K个映射关系，其所描述的Flash物理空间范围为32M。那么仅当主机写入32M数据后FtoH才会占满，此时触发映射关系从反向映射表FtoH刷新到二级表HtoF，再触发HtoF的下刷。如果这32M的物理空间范围只包含两个二级表HtoF的数据内容，那么只会触发2次二级表HtoF的下刷。也即主机写入32M数据，实际写入NANDFlash的数据量为32M + 2 * 4K。如果主机写入数据量为1T，那么实际写入NAND Flash的数据量不到1.05T，基本逼近，写放大系数接近1。

Claims (3)

1.一种不带DRAM的SSD主控可靠性提升系统，其特征在于，包括：

FtoH反向映射表：用于记录当前正在写入数据的NAND Flash块到主机的反向映射关系；

FTL HtoF二级表：用于记录一段连续主机逻辑地址到NAND Flash的正向映射关系；

FTL一级映射表：用于记录一段连续的NAND Flash地址到主机的反向映射关系。

2.一种不带DRAM的SSD主控可靠性提升方法，其特征在于，该方法的主要实现过程为：在SSD主控中增加FtoH反向映射表，以记录当前正在写入数据的NAND Flash块到主机的反向映射关系，使得主机侧的IO数据顺序写入NAND Flash上的连续空间，并在FtoH反向映射表描述的物理空间写满后，才触发FTL HtoF二级表的下刷行为。

3.根据权利要求2所述的不带DRAM的SSD主控可靠性提升方法，其特征在于，主机侧的IO数据顺序写入NAND Flash上的连续空间，并在FtoH反向映射表描述的物理空间写满后，触发FTL HtoF二级表的下刷行为的具体实现流程包括以下步骤：

1）收到主机IO数据；

2）将所述主机IO数据写入NAND Flash；

3）更新FtoH反向映射表；

4）判断FtoH反向映射表是否已满，若是，则进入步骤5）；否则，进入步骤9）；

5）依次遍历FtoH反向映射表里逻辑地址段相同的FTL HtoF二级表的映射关系；

6）将从FtoH反向映射表里遍历出来的FTL HtoF二级表映射关系更新到FTL HtoF二级表；

7）下刷FTL HtoF二级表；

8）遍历下刷是否结束，若是，则进入步骤9）；否则，遍历FtoH反向映射表里下一个FTLHtoF二级表的内容，然后返回步骤5）；

9）结束。