CN107728951B - 一种基于pcm的磨损均衡方法及系统 - Google Patents

一种基于pcm的磨损均衡方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PCM的磨损均衡方法及系统，属于计算机数据存储领域，本发明磨损均衡方法包含文件冷热划分，设备空间管理和磨损纠偏。本发明通过文件创建和更新过程中，实时计算文件热度，并根据文件热度为文件分配相应的页；另外通过周期性的调整文件热度和设备空间中的页组，纠正文件热度和设备空间中页组的不匹配来达到整体的磨损均衡。由此解决现有磨损均衡方法无法感知应用层文件语义信息导致额外的磨损开销，减少设备的使用寿命的问题。

Description

一种基于PCM的磨损均衡方法及系统
技术领域
本发明属于计算机数据存储领域，更具体地，涉及一种基于PCM的磨损均衡方法及系统。
背景技术
在计算机系统结构中，随着CPU多核和多线程技术的发展，存储与计算之间的性能差距越来越大。尽管基于flash memory的存储设备有效的提升了存储系统的性能，但是依然无法满足当前大数据场景下对高性能存储系统的性能需求。而且随着大容量多层单元闪存(Multi-Level Cell，MLC)和三层式储存(Triple-level cell，TLC)闪存的使用，存储系统的性能和可靠性进一步下降。与flash memory相比，相变存储器(phase change memory，PCM)具有更高的访问性能和擦除次数，更低的功耗，可以有效的解决当前可移动电子设备中存储性能的不足等问题。虽然PCM的使用寿命比Flash Memory要长，但是由于存储负载的局部性特点，大量的写操作可能会集中在小部分区域，从而导致设备的快速损坏。因此，基于PCM的存储系统依然需要磨损均衡方法来平均每个单元的写次数，从而延长设备的使用寿命。
目前针对PCM设计的磨损均衡方法大多在设备控制器中实现，这些方法缺少上层的语义信息支持，只能机械的根据页的磨损次数，周期性的交换磨损较多的页上的数据和磨损较少的页上数据以达到整体的磨损均衡，这些方法磨损效率低；由于无法感知数据的语义信息，会导致额外的数据交换，从而导致多余的磨损操作，进而影响设备的使用寿命。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于PCM的磨损均衡方法及系统，由此解决现有PCM磨损方法缺少上层语义信息支持，磨损效率低下，额外磨损操作过多，影响存储系统性能和寿命的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于PCM的磨损均衡方法，包括：
(1)对于任意一个文件，根据文件类型、文件元数据信息以及文件的当前访问时间和上次访问时间确定文件的冷热程度，其中，所述文件的冷热程度包括cold，warm和hot；
(2)根据页的磨损次数将所有页划分为old组，middle-aged组和young组；
(3)从old组中选择页分配给冷热程度为cold的文件，从middle-aged组选择页分配给冷热程度为warm的文件，从young组选择页分配给冷热程度为hot的文件；
(4)若到达预设调整周期，则使用系统当前时间调整文件的冷热程度信息，并调整设备空间页组信息，然后根据调整后的文件冷热程度信息和调整后的设备空间页组信息，调整文件在页组中的分布。
优选地，步骤(1)具体包括：
(1.1)若文件为新建文件且文件类型为预设文件类型，则将文件划分为cold文件，若文件类型不是预设文件类型且文件为只读文件，则将文件划分为cold文件，若文件类型不是预设文件类型且文件不是只读文件，则将文件划分为warm文件；
(1.2)若文件不是新建文件，则根据文件的当前访问时间和上次访问时间，计算文件的热度，若热度大于预设热度上限，则将文件划分为hot文件，若热度在预设热度下限与预设热度上限之间，则将文件划分为warm文件，若热度小于预设热度下限，则将文件划分为cold文件。
优选地，文件的热度计算方式为：
fh＝1/(Tcut-Tlut)，其中，fh表示文件f的当前热度，Tcut表示文件的当前访问时间，Tlut表示文件上次访问时间。
优选地，步骤(2)具体包括：
(2.1)若当前页为新页，则将当前页划分到young组；
(2.2)若当前页不是新页且当前页的磨损次数大于等于预设最大磨损次数下限且小于等于预设最大磨损次数上限，则将当前页划分到old组；
(2.3)若当前页的磨损次数大于预设最小磨损次数上限且小于预设最大磨损次数下限，则将当前页划分到middle-aged组；
(2.4)若当前页的磨损次数大于等于预设最小磨损次数下限且小于等于预设最小磨损次数上限，则将当前页划分到young组。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于PCM的磨损均衡系统，包括：
文件冷热识别模块，用于对于任意一个文件，根据文件类型、文件元数据信息以及文件的当前访问时间和上次访问时间确定文件的冷热程度，其中，所述文件的冷热程度包括cold，warm和hot；
设备空间管理模块，用于根据页的磨损次数将所有页划分为old组，middle-aged组和young组；从old组中选择页分配给冷热程度为cold的文件，从middle-aged组选择页分配给冷热程度为warm的文件，从young组选择页分配给冷热程度为hot的文件；
磨损纠偏模块，用于在到达预设调整周期时，使用系统当前时间调整文件的冷热程度信息，并调整设备空间页组信息，然后根据调整后的文件冷热程度信息和调整后的设备空间页组信息，调整文件在页组中的分布。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明通过文件创建和更新过程中，实时计算文件热度，并根据文件热度为文件分配相应的页；另外通过周期性的调整文件热度和设备空间中的页组，纠正文件热度和设备空间中页组的不匹配来达到整体的磨损均衡。提高存储系统性能和使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于PCM的磨损均衡方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种系统架构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种逻辑结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种文件热度划分流程示意图；
图5为本发明实施例提供的一种设备空间页组划分示意图；
图6为本发明实施例提供的一种空间分配流程示意图；
图7为本发明实施例提供的一种磨损纠偏流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的一种基于PCM的存储系统的磨损均衡方法及系统，主要包含文件冷热识别，设备空间管理和磨损纠偏。本发明通过文件冷热识别确定文件的冷热程度，同时根据设备空间管理将设备中的页根据其磨损情况划分到不同的页组，然后从合适的页组中选择页分配给具有不同冷热程度的文件数据。本发明通过磨损纠偏，周期性的检查文件的冷热程度变化，调整页组中页的变化，并根据文件冷热程度和页组的变化，调整文件数据的分配。
如图1所示为本发明实施例提供的一种基于PCM的磨损均衡方法的流程示意图；在图1所示的方法中，包括：
(1)对于任意一个文件，根据文件类型、文件元数据信息以及文件的当前访问时间和上次访问时间确定文件的冷热程度，其中，文件的冷热程度包括cold，warm和hot；
在一个可选的实施方式中，步骤(1)具体包括：
(1.1)若文件为新建文件且文件类型为预设文件类型，则将文件划分为cold文件，若文件类型不是预设文件类型且文件为只读文件，则将文件划分为cold文件，若文件类型不是预设文件类型且文件不是只读文件，则将文件划分为warm文件；
其中，预设文件类型可以是视频，音频或者图像文件等。
其中，可以根据文件访问权限信息确定文件是否为只读文件。
(1.2)若文件不是新建文件，则根据文件的当前访问时间和上次访问时间，计算文件的热度，若热度大于预设热度上限，则将文件划分为hot文件，若热度在预设热度下限与预设热度上限之间，则将文件划分为warm文件，若热度小于预设热度下限，则将文件划分为cold文件。
在一个可选的实施方式中，文件的热度计算方式为：
fh＝1/(Tcut-Tlut)，其中，fh表示文件f的当前热度，Tcut表示文件的当前访问时间，Tlut表示文件上次访问时间。
其中，在磨损纠偏中，Tcut表示当前系统时间。预设热度上限与预设热度下限可以根据实际需要确定，优选地，预设热度上限为1，预设热度下限为1/2，即当fh＞1时，该文件划分为hot；当该文件划分为warm；当该文件划分为cold。
(2)根据页的磨损次数将所有页划分为old组，middle-aged组和young组；
其中，old组是指整个设备空间中磨损次数相对比较多的页；middle-aged组是指在整个设备空间中，磨损程度适中的页；young组包在整个设备空间中磨损次数较少的页。
在一个可选的实施方式中，步骤(2)具体包括：
(2.1)若当前页为新页，则将当前页划分到young组；
(2.2)若当前页不是新页且当前页的磨损次数大于等于预设最大磨损次数下限且小于等于预设最大磨损次数上限，则将当前页划分到old组；
(2.3)若当前页的磨损次数大于预设最小磨损次数上限且小于预设最大磨损次数下限，则将当前页划分到middle-aged组；
(2.4)若当前页的磨损次数大于等于预设最小磨损次数下限且小于等于预设最小磨损次数上限，则将当前页划分到young组。
其中，预设最大磨损次数下限、预设最大磨损次数上限、预设最小磨损次数上限以及预设最小磨损次数下限可以根据实际需要确定。
例如，可以使用pmin和pmax分别记录PCM中所有页的最小磨损次数和最大磨损次数。从而可以按照如下规则划分设备空间页组。
(3)从old组中选择页分配给冷热程度为cold的文件，从middle-aged组选择页分配给冷热程度为warm的文件，从young组选择页分配给冷热程度为hot的文件；
(4)若到达预设调整周期，则使用系统当前时间调整文件的冷热程度信息，并调整设备空间页组信息，然后根据调整后的文件冷热程度信息和调整后的设备空间页组信息，调整文件在页组中的分布。
其中，可以根据当前设备中最小磨损次数pmin和最大磨损次数pmax调整设备空间页组信息。
在本发明的另一个方面，提供了一种基于PCM的磨损均衡系统，包括：
文件冷热识别模块，用于对于任意一个文件，根据文件类型、文件元数据信息以及文件的当前访问时间和上次访问时间确定文件的冷热程度，其中，文件的冷热程度包括cold，warm和hot；
设备空间管理模块，用于根据页的磨损次数将所有页划分为old组，middle-aged组和young组；从old组中选择页分配给冷热程度为cold的文件，从middle-aged组选择页分配给冷热程度为warm的文件，从young组选择页分配给冷热程度为hot的文件；
磨损纠偏模块，用于在到达预设调整周期时，使用系统当前时间调整文件的冷热程度信息，并调整设备空间页组信息，然后根据调整后的文件冷热程度信息和调整后的设备空间页组信息，调整文件在页组中的分布。
下面结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。
图2为本发明硬件系统架构示意图：硬件部署上需要PCM连接在内存总线上，使用与内存一样的寻址方式。
图3为本发明软件系统架构示意图：软件结构上，该磨损均衡方法在主机端实现，在文件系统下层，包括文件冷热识别模块，设备空间管理模块和磨损纠偏模块。
图4为本发明对文件热度判定示意图。当文件冷热识别模块收到来自文件系统层的请求，该模块首先判断文件请求是新建文件还是更新已存在文件。若是新文件，则通过文件扩展名获得文件属性，如果文件类型为视频，音频或者图像，则直接划分为cold文件；否则转到下一步，通过文件元数据信息获取文件访问权限信息，如果文件为只读文件，该文件划分为cold文件，否则初始化该文件热度为warm。如果文件已经存在，则根据文件的当前访问时间和上次访问时间计算文件的热度，如果文件的热度大于1，则划分为hot；如果文件热度大于1/2，且小于1，则划分为warm；如果文件热度小于1/2，则划分为cold。
图5为本发明设备空间页组划分示意图。对于一个给定的页，如果是新页，则其被划分到young组。否则如果该页的磨损次数大于等于pmax-15，且小于等于pmax，则把其划分到old组；如果该页的磨损次数大于pmin+15，且小于Pmax-15，则把其划分到middle-aged组；否则，该页被划分到young组。
图6为本发明写操作中，设备空间页分配示意图。对于给定的文件写请求，首先判断文件的热度，如果文件为hot，从young组选择空闲页进行分配；如果文件热度为warm，则从middle-aged组选择空闲页进行分配；如果文件热度为cold，则从old组选择空闲页进行分配。
图7为本发明磨损纠偏示意图。当到达调整周期，首先使用当前时间作为文件当前更新时间，更新文件的热度信息，然后调整设备空间页组信息，最后根据调整后的文件热度和页组，调整文件数据的分布。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于PCM的磨损均衡方法，其特征在于，包括：
(1)对于任意一个文件，根据文件类型、文件元数据信息以及文件的当前访问时间和上次访问时间确定文件的冷热程度，其中，所述文件的冷热程度包括cold，warm和hot；
(2)根据页的磨损次数将所有页划分为old组，middle-aged组和young组；
(3)从old组中选择页分配给冷热程度为cold的文件，从middle-aged组选择页分配给冷热程度为warm的文件，从young组选择页分配给冷热程度为hot的文件；
(4)若到达预设调整周期，则使用系统当前时间调整文件的冷热程度信息，并调整设备空间页组信息，然后根据调整后的文件冷热程度信息和调整后的设备空间页组信息，调整文件在页组中的分布；
其中，步骤(1)具体包括：
(1.1)若文件为新建文件且文件类型为预设文件类型，则将文件划分为cold文件，若文件类型不是预设文件类型且文件为只读文件，则将文件划分为cold文件，若文件类型不是预设文件类型且文件不是只读文件，则将文件划分为warm文件；
(1.2)若文件不是新建文件，则根据文件的当前访问时间和上次访问时间，计算文件的热度，若热度大于预设热度上限，则将文件划分为hot文件，若热度在预设热度下限与预设热度上限之间，则将文件划分为warm文件，若热度小于预设热度下限，则将文件划分为cold文件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，文件的热度计算方式为：
fh＝1/(Tcut-Tlut)，其中，fh表示文件f的当前热度，Tcut表示文件的当前访问时间，Tlut表示文件上次访问时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体包括：
(2.1)若当前页为新页，则将当前页划分到young组；
(2.2)若当前页不是新页且当前页的磨损次数大于等于预设最大磨损次数下限且小于等于预设最大磨损次数上限，则将当前页划分到old组；
(2.3)若当前页的磨损次数大于预设最小磨损次数上限且小于预设最大磨损次数下限，则将当前页划分到middle-aged组；
(2.4)若当前页的磨损次数大于等于预设最小磨损次数下限且小于等于预设最小磨损次数上限，则将当前页划分到young组。
4.一种基于PCM的磨损均衡系统，其特征在于，包括：
文件冷热识别模块，用于对于任意一个文件，根据文件类型、文件元数据信息以及文件的当前访问时间和上次访问时间确定文件的冷热程度，其中，所述文件的冷热程度包括cold，warm和hot；
设备空间管理模块，用于根据页的磨损次数将所有页划分为old组，middle-aged组和young组；从old组中选择页分配给冷热程度为cold的文件，从middle-aged组选择页分配给冷热程度为warm的文件，从young组选择页分配给冷热程度为hot的文件；
磨损纠偏模块，用于在到达预设调整周期时，使用系统当前时间调整文件的冷热程度信息，并调整设备空间页组信息，然后根据调整后的文件冷热程度信息和调整后的设备空间页组信息，调整文件在页组中的分布；
其中，所述文件的冷热程度划分方法具体为：
若文件为新建文件且文件类型为预设文件类型，则将文件划分为cold文件，若文件类型不是预设文件类型且文件为只读文件，则将文件划分为cold文件，若文件类型不是预设文件类型且文件不是只读文件，则将文件划分为warm文件；
若文件不是新建文件，则根据文件的当前访问时间和上次访问时间，计算文件的热度，若热度大于预设热度上限，则将文件划分为hot文件，若热度在预设热度下限与预设热度上限之间，则将文件划分为warm文件，若热度小于预设热度下限，则将文件划分为cold文件。
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