CN108153682B - 一种利用闪存内部并行性进行闪存转换层地址映射的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种利用闪存内部并行性进行闪存转换层地址映射的方法。当请求的映射关系不在缓存中时，需要从闪存中读取映射页到缓存，若缓存已满，则需要写回映射表末尾的映射项到闪存。本发明将对闪存的映射页操作与对闪存的数据页操作分离，将对映射页的写回与加载作为独立的请求，利用固态盘的并行性将不同请求的地址映射过程与数据访问过程并行处理，提高闪存的并行程度，进而提高资源利用率，减少因缓存未命中而带来的读写延迟，减少请求的平均响应时间，优化固态盘的性能。

Description

一种利用闪存内部并行性进行闪存转换层地址映射的方法

技术领域

本发明涉及了计算机闪存存储技术领域，特别涉及一种在闪存存储系统中，利用固态盘内部并行性进行地址映射过程的方法。

背景技术

基于闪存的固态盘(SSD)是近年来出现的一种新型存储设备。传统硬盘是由机械部件组成，而SSD是由闪存芯片以一定的结构组成。相对于传统磁盘，SSD在可靠性、性能、能耗等方面有着明显的优势，逐渐成为计算机存储系统的重要组成部分，在学术界和工业界都得到广泛的认可和研究。

闪存芯片具有其独特的特性，例如：写前先擦除、读写以页为单位、擦除以块为单位、擦除次数有限等。因此传统的文件系统并不适用于固态盘，闪存存储系统中出现了一种称为闪存转换层(FTL)的嵌入式软件,把对闪存的操作虚拟成对磁盘的独立扇区操作，屏蔽闪存底层存取细节，向上层文件系统提供存取接口。闪存转换层的一项重要功能是将来自于文件系统的逻辑地址转换为闪存中的物理地址，即地址映射功能，目前存在的地址映射策略有页级映射、块级映射和混合日志块映射。

由于页级映射的性能最优，因此目前主流的映射算法是基于需求的映射项替换算法——DFTL算法。在该方法中，完整的页级映射表以地址转换页的形式保存在闪存中，而最近最常使用的映射项缓存在内存中。因此，DFTL能够有效地减少内存开销并且保持页级地址映射的高性能。然而，由于所有更新的地址映射信息都需要写回闪存，这些对地址转换页的大量操作影响了固态盘的性能。本发明通过利用闪存的内部并行性将地址映射过程和数据访问过程同时进行，减少由于对映射页的操作带来的请求读写延迟。

发明内容

本发明的目的是在于克服目前DFTL算法的不足，提供一种利用固态盘的内部并行性优化DFTL算法在未命中缓存时访问闪存映射页带来的延迟问题，减少请求的平均响应时间，优化闪存系统的性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明采取一种利用闪存内部并行性进行请求处理的方法，方法的步骤包括：

步骤1：当文件系统有请求到来时，将该请求先加入到原始的IO队列当中。除了原始队列外，另外再添加三个IO队列用于存放不同操作的IO请求，分别是写回队列，加载队列和数据访问队列。根据闪存物理页的大小将该请求分为若干个与物理页大小相等的子请求。

步骤2：根据子请求的逻辑页号，快速扫描位于缓存中的地址映射表，查找该逻辑页号对应的映射关系。若找到其映射关系，则执行步骤3，否则执行步骤4。

使用哈希查找检索映射表，以便快速找到该逻辑页号对应的映射项。

步骤3：若该子请求的逻辑地址在缓存映射表中，则该请求可以直接访问闪存，因此将该子请求加入到数据访问队列中，跳到步骤6。

步骤4：若该子请求的映射关系不在缓存中，则需要从闪存中将该请求所需的映射项加载到缓存。若缓存映射表不满，则直接执行步骤5。若缓存映射表已满，则需要写回映射表尾部的映射项到闪存的地址映射页中，这时会产生一次读取旧映射页和更新映射页的操作。将写回脏映射项产生的读操作和写操作以链表的形式挂到该子请求的尾部，并将该子请求加入到写回队列当中。

步骤5：若该子请求为写请求，则执行步骤6。若该子请求为读请求，则需要从闪存中加载其映射关系。这时将产生一次读请求操作，将产生的读请求挂到该子请求的尾部，若该子请求没有产生写回请求，则将该子请求加入到加载队列当中。

步骤6：设置一个令牌token，令其初始值为0。token为0,1,2分别表示选择写回、加载和数据访问队列中的请求进行处理。以FIFO的顺序执行所选择队列中的请求，快速扫描各个队列中的请求，若有满足并行条件的请求，即操作类型相同且不会发生访问冲突，则可以同时处理这些请求。处理完毕后，将该请求从相应的队列中删除。最后，另token＝(token+1)％3，保证每个队列中的请求都能够得到处理。请求所在的队列可能为写回、加载与数据访问队列，分别执行步骤7、8、9。

步骤7：当写回队列中的读请求完成时，则将其从队列以及子请求链上删除。当写请求完成时，将其删除之后，若该子请求后有加载请求，则将该子请求加入加载队列。若没有加载请求，则将子请求直接加入到数据访问队列。

步骤8：当加载队列中的请求处理完毕时，将其从队列以及子请求链上删除。然后将子请求加入到数据访问队列。

步骤9：当数据访问队列中的请求处理完毕时，将其从数据访问队列中删除。

步骤10：当请求的所有子请求都处理完毕时，表示该请求处理完毕。

所述的步骤3和步骤4，将地址映射操作与数据访问操作分离，在处理请求时，若该请求的映射关系不在缓存中，这时需要从闪存中加载映射关系到缓存，将产生一次加载操作，若缓存表不满，则将请求的映射项所在映射页的物理地址、请求大小、操作类型、到达时间等信息生成一次独立的请求，采用链表的形式将产生的新请求挂在原始请求之上，并将其原始请求加入到加载队列中，若缓存表已满，则在加载映射项之前，需要先写回缓存中不常使用的脏映射项，这时会产生一次脏映射项的读取和更新操作，同样，将新生成的一次读和一次写操作挂在原始请求之上，并将原始请求加入到写回队列当中。

所述的步骤5，其设置了多个请求队列，设置一个令牌(token)，令其初始值为0，Token为0,1,2分别表示选择写回、加载和数据访问队列中的请求开始处理，IO调度器根据令牌值选择三个队列中某一个队列的请求进行处理，同时扫描三个队列中的其他请求，扫描的时间为纳秒级，与读写闪存的时间相比，这个时间可以忽略，如果有满足并行执行条件的请求，则可以同时执行这些请求，当请求处理完毕时，若执行的是最后一个队列的请求，则可将其直接删除，表示该请求处理完成，否则需要将该请求从当前队列中移除，加入到下一个队列当中，同时，另token＝(token+1)％3，使得下次选取后一个队列中的请求开始执行，从而保证每个队列中的请求都能够得到处理。

所述的步骤6到步骤9，具体为，当写回队列中的请求执行完毕时，将该请求从其所在链表上删除，若执行的是读操作，表示还需要执行一次写过程，不需要移动原始请求，若执行的是写操作，表示写回过程已经执行完毕，需要将该请求从链表上删除的同时，将其所属的原始请求从写回队列中删除，若后面还有加载操作，则将原始请求加入到加载队列中，否则直接加入数据访问队列，同理，当加载队列中的请求完成时，将其从请求链表上删除，并将其所属的原始请求从加载队列移入到数据访问队列，当数据访问队列中的请求完成时，将该请求从队列中直接删除。

本发明将请求的地址映射页访问和数据访问分离，在数据访问可以并行执行的基础上，使得映射页访问、数据访问均可以并行执行。脏映射项的写回和加载所需的映射项是针对不同的映射页，在访问闪存的数据块时，同时也可以访问闪存的映射块。因此，可以在处理当前请求的同时，处理下一条请求的地址映射过程。通过设置三个不同的队列，并严格控制请求加入三个队列中的顺序，使得三个队列中的所有请求在满足并行的条件下均可以同时执行，减少了请求的平均响应时间，增加带宽，提高固态盘的资源利用率，优化固态盘性能。

本发明用于对固态盘闪存转换层地址映射算法的执行。

对比传统的地址映射算法，本发明减少了请求的响应时间，加快了固态盘的读写速度。

本发明适用于各种类型的负载，应用范围广泛。

附图说明

图1是本发明基于的系统架构图；

图2是本发明实施所述的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。实施例用于说明本发明方法，但不限制本发明的范围。

为了详细说明本发明实施例，本发明提供了闪存的系统架构如图1所示，包括：

内存芯片：存放映射表、坏块表等元数据结构。

闪存芯片：SSD是由闪存芯片以一定的结构组成，闪存芯片有多个层次。因此闪存自身有很丰富的并行性。

SSD控制器：固态盘的核心，所有的软件算法均由SSD控制器执行。

本发明的核心是利用闪存的内部并行性进行地址映射过程，减少由于缓存未命中时对映射页的读写操作带来的延迟，降低请求的平均响应时间。

图2是实施流程，具体实施方案包括：

步骤1：当文件系统有请求到来时，将该请求先加入到原始的IO队列当中。除了原始队列外，另外再添加三个IO队列用于存放不同操作的IO请求，分别是写回队列，加载队列和数据访问队列。根据闪存物理页的大小，将该请求分为若干个与物理页大小相等的子请求。

步骤2：根据子请求的逻辑页号，快速扫描位于缓存中的地址映射表，查找该逻辑页号对应的映射关系。

可以优选使用哈希查找检索映射表，以便快速找到该逻辑页号对应的映射项。

检索的结果可能有两种情况：目标映射项在缓存映射表中；目标映射项不在映射表中。步骤8对应第一种情况。如果缓存未命中，缓存表存在已满和不满两种情况，步骤3为缓存表已满，4为缓存表未满。

步骤3：若该子请求的映射关系不在缓存中，则需要从闪存中将该请求所需的映射项加载到缓存。若缓存映射表已满，则需要写回映射表尾部的映射项到闪存的地址映射页中，这时会产生一次读取旧映射页和更新映射页的操作。将写回脏映射项产生的读操作和写操作以链表的形式挂到该子请求的尾部，并将该子请求加入到写回队列当中。

步骤4：若该子请求为读操作，则需要从闪存中加载其逻辑页对应的映射关系。这时将产生一次读操作，将产生的读请求挂到该子请求的尾部。若该子请求没有产生写回请求，则将该子请求加入到加载队列当中。若该子请求为写操作，则可直接在缓存中进行更新，不需要加载操作。

步骤5：设置一个令牌(token)，令其初始值为0。Token为0,1,2分别表示选择写回、加载和数据访问队列中的请求开始处理。以FIFO的顺序执行所选队列中的请求，同时快速扫描各个队列中的其他请求，若有满足并行条件的请求，即操作类型相同且不会发生访问冲突，则可以同时处理这些请求。处理完毕后，将该请求从相应的队列中删除。最后，另token＝(token+1)％3，保证每个队列中的请求都能够得到处理。

步骤6：当写回队列中的读请求完成时，则将其从队列以及子请求链上删除。当写请求完成时，将其删除之后，若该子请求后有加载请求，则将该子请求加入加载队列。若没有加载请求，则将子请求直接加入到数据访问队列。

步骤7：当加载队列中的请求处理完毕时，将其从队列以及子请求链上删除。

步骤8：将该子请求加入到数据访问队列中。

步骤9：当数据访问队列中的请求处理完毕时，将其从数据访问队列中删除。

步骤10：当请求的所有子请求都处理完毕时，表示该请求执行完毕。

本发明将请求的地址映射页访问和数据访问分成不同的操作，在数据访问可以并行执行的基础上，使得映射页访问、数据访问均可以并行执行。脏映射项的写回和加载所需的映射项是针对不同的映射页，在访问闪存的数据块时，同时也可以访问闪存的映射块。因此，可以在处理当前请求的同时，处理下一条请求的地址映射过程。通过设置三个不同队列，并严格控制请求加入三个队列中的顺序，使得三个队列中的所有请求在满足并行的条件下均可以同时执行，减少了请求的平均响应时间，增加并行程度，提高固态盘的资源利用率，优化固态盘性能。

本发明用于闪存中的闪存转换层FTL模块。

本发明适用于NAND Flash型闪存。

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)

1.一种利用闪存内部并行性进行闪存转换层地址映射的方法，其特征在于，方法的步骤包括：

步骤1：当文件系统有请求到来时，将该请求先加入到原始的IO队列当中，除了原始队列外，另外再添加三个IO队列用于存放不同操作的IO请求，分别是写回队列，加载队列和数据访问队列，根据闪存物理页的大小，将该请求分为若干个与物理页大小相等的子请求；

步骤2：根据子请求的逻辑页号，快速扫描位于缓存中的地址映射表，查找该逻辑页号对应的映射关系；

使用哈希查找检索映射表，以便快速找到该逻辑页号对应的映射项；

检索的结果有两种情况：目标映射项在缓存映射表中，这时跳转到步骤8；目标映射项不在映射表中，这时存在缓存表已满和不满两种情况，缓存表已满跳转到步骤3，缓存表未满跳转到步骤4；

步骤3：若该子请求的映射关系不在缓存中，则需要从闪存中将该请求所需的映射项加载到缓存，若缓存映射表已满，则需要写回映射表尾部的映射项到闪存的地址映射页中，这时会产生一次读取旧映射页和更新映射页的操作，将写回脏映射项产生的读操作和写操作以链表的形式挂到该子请求的尾部，并将该子请求加入到写回队列当中；

步骤4：若该子请求为读操作，则需要从闪存中加载其逻辑页对应的映射关系，这时将产生一次读操作，将产生的读请求挂到该子请求的尾部，若该子请求没有产生写回请求，则将该子请求加入到加载队列当中，若该子请求为写操作，则可直接在缓存中进行更新，不需要加载操作；

步骤5：设置一个令牌token，令其初始值为0，token为0,1,2分别表示选择写回、加载和数据访问队列中的请求开始处理，以FIFO的顺序执行所选队列中的请求，同时快速扫描各个队列中的其他请求，若有满足并行条件的请求，即操作类型相同且不会发生访问冲突，则可以同时处理这些请求，处理完毕后，将该请求从相应的队列中删除，最后，另token＝(token+1)％3，保证每个队列中的请求都能够得到处理；

步骤6：当写回队列中的读请求完成时，则将其从队列以及子请求链上删除，当写请求完成时，将其删除之后，若该子请求后有加载请求，则将该子请求加入加载队列，若没有加载请求，则将子请求直接加入到数据访问队列；

步骤7：当加载队列中的请求处理完毕时，将其从队列以及子请求链上删除；

步骤8：将该子请求加入到数据访问队列中；

步骤9：当数据访问队列中的请求处理完毕时，将其从数据访问队列中删除；

步骤10：当请求的所有子请求都处理完毕时，表示该请求执行完毕。

2.根据权利要求1所述的一种利用闪存内部并行性进行闪存转换层地址映射的方法，其特征在于，所述的步骤3和步骤4，将地址映射操作与数据访问操作分离，在处理请求时，若该请求的映射关系不在缓存中，这时需要从闪存中加载映射关系到缓存，将产生一次加载操作，若缓存表不满，则将请求的映射项所在映射页的物理地址、请求大小、操作类型、到达时间等信息生成一次独立的请求，采用链表的形式将产生的新请求挂在原始请求之上，并将其原始请求加入到加载队列中，若缓存表已满，则在加载映射项之前，需要先写回缓存中不常使用的脏映射项，这时会产生一次脏映射项的读取和更新操作，同样，将新生成的一次读和一次写操作挂在原始请求之上，并将原始请求加入到写回队列当中。

3.根据权利要求1所述的一种利用闪存内部并行性进行闪存转换层地址映射的方法，其特征在于，所述的步骤5，其设置了多个请求队列，设置一个令牌(token)，令其初始值为0，Token为0,1,2分别表示选择写回、加载和数据访问队列中的请求开始处理，IO调度器根据令牌值选择三个队列中某一个队列的请求进行处理，同时扫描三个队列中的其他请求，扫描的时间为纳秒级，与读写闪存的时间相比，这个时间可以忽略，如果有满足并行执行条件的请求，则可以同时执行这些请求，当请求处理完毕时，若执行的是最后一个队列的请求，则可将其直接删除，表示该请求处理完成，否则需要将该请求从当前队列中移除，加入到下一个队列当中，同时，另token＝(token+1)％3，使得下次选取后一个队列中的请求开始执行，从而保证每个队列中的请求都能够得到处理。

4.根据权利要求1所述的一种利用闪存内部并行性进行闪存转换层地址映射的方法，其特征在于，所述的步骤6到步骤9，具体为，当写回队列中的请求执行完毕时，将该请求从其所在链表上删除，若执行的是读操作，表示还需要执行一次写过程，不需要移动原始请求，若执行的是写操作，表示写回过程已经执行完毕，需要将该请求从链表上删除的同时，将其所属的原始请求从写回队列中删除，若后面还有加载操作，则将原始请求加入到加载队列中，否则直接加入数据访问队列，同理，当加载队列中的请求完成时，将其从请求链表上删除，并将其所属的原始请求从加载队列移入到数据访问队列，当数据访问队列中的请求完成时，将该请求从队列中直接删除。

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