CN108647157B - 一种基于相变存储器的映射管理方法及固态硬盘 - Google Patents

一种基于相变存储器的映射管理方法及固态硬盘 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相变存储器的映射管理方法及固态硬盘,其特征在于采用两级映射表管理,具体包括一级表和二级表,所述二级表存储在相变存储器PCM中，所述二级表记录所有用户数据页逻辑地址到物理地址的关系,所述二级表按颗粒度G分割为多个二级表子单元,硬盘控制器的缓存以二级表子单元为基本单元进行数据置换。通过引入相变存储器用于存储映射表，相变存储器的读写时间远低于NAND，本专利通过在NODRAM固态硬盘中引入相变存储器替代NAND用于完整映射表的保存，降低片上SRAM中映射表cache置换映射表信息的时间，从而达到降低读写命令完成时间，提高读写性能的效果。

Description

一种基于相变存储器的映射管理方法及固态硬盘
技术领域
本发明涉及存储技术领域，尤其涉及一种基于相变存储器的映射管理方法及固态硬盘。
背景技术
现有的没有DRAM的固态硬盘系统中，因为片上SRAM的空间限制，不足以存储整个映射表(映射表是指记录数据页逻辑地址到NAND物理地址映射关系的表)，而将完整的映射表保存在NAND中，在片上SRAM中维护一个缓存cache，cache中缓存部分映射表，即最近访问的数据页逻辑地址到物理地址映射关系。在主机HOST随机读写的场景下，系统需要频繁地与NAND交换映射表信息，HOST读写的完成时间较大，性能较低。
发明内容
针对以上缺陷，本发明目的在于如何提高映射表访问的速度，实现提高读写命令响应速度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于相变存储器的映射管理方法,其特征在于采用两级映射表管理,具体包括一级表和二级表,所述二级表存储在相变存储器PCM中，所述二级表记录所有用户数据页逻辑地址到物理地址的关系,所述二级表按颗粒度G分割为多个二级表子单元,硬盘控制器的缓存以二级表子单元为基本单元进行数据置换。
所述的基于相变存储器的映射管理方法,其特征在于硬盘控制器的缓存至少包括2个区域，区域一缓存完整的一级表，区域二用于缓存部分二级表子单元，根据优先置换最近最久未使用的二级表子单元的策略进行动态更新缓存中缓存的二级表子单元。
所述的基于相变存储器的映射管理方法,其特征在于二级表子单元按照其在二级表中的位置依次编号获得二级表子单元编号i的集合，将二级表子单元编号i的集合作为一级表的索引，第i个一级表项值为二级表子单元i在PCM中存储的物理地址。
所述的基于相变存储器的映射管理方法,其特征在于数据页逻辑地址对颗粒度G取模运算得到的商为一级表索引值i，得到的余数为数据页逻辑地址在二级表子单元i中的偏移量offset。
一种基于相变存储器的映射管理的固态硬盘，包括HOST接口、CPU、片上SRAM、片内总线、NAAND控制器和NAND Flash，其特征在于还包括多个PCM阵列和PCM控制器，PCM阵列通过PCM控制器挂载在片内总线上；采用两级映射表管理,具体包括一级表和二级表,所述二级表存储在相变存储器PCM中，所述二级表记录所有用户数据页逻辑地址到物理地址的关系,所述二级表按颗粒度G分割为多个二级表子单元,硬盘控制器的缓存以二级表子单元为基本单元进行数据置换。
所述的基于相变存储器的映射管理的固态硬盘,其特征在于硬盘控制器的缓存至少包括2个区域，区域一缓存完整的一级表，区域二用于缓存部分二级表子单元，根据优先置换最近最久未使用的二级表子单元的策略进行动态更新缓存中缓存的二级表子单元。
所述的基于相变存储器的映射管理的固态硬盘,其特征在于二级表子单元按照其在二级表中的位置依次编号获得二级表子单元编号i的集合，将二级表子单元编号i的集合作为一级表的索引，第i个一级表项值为二级表子单元i在PCM中存储的物理地址。
所述的基于相变存储器的映射管理的固态硬盘,其特征在于数据页逻辑地址对颗粒度G取模运算得到的商为一级表索引值i，得到的余数为数据页逻辑地址在二级表子单元i中的偏移量offset。
本发明通过引入相变存储器用于存储映射表，相变存储器的读写时间远低于NAND，本专利通过在NODRAM固态硬盘中引入相变存储器替代NAND用于完整映射表的保存，降低片上SRAM中映射表cache置换映射表信息的时间，从而达到降低读写命令完成时间，提高读写性能的效果。
附图说明
图1是基于相变存储器的映射管理的固态硬盘系统示意图；
图2是两级映射表示意图；
图3是片上缓存区域划分示意图；
图4是数据页写入示意图；
图5是数据页读示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
相变存储器，简称PCM，相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的。相变存储器通常是利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的一种信息存储装置。
图1是基于相变存储器的映射管理的固态硬盘系统示意图，包括HOST接口、CPU、片上SRAM、片内总线、NAAND控制器和NAND Flash，在传统的无片DRAM固态硬盘系统基础上引入了新型存储介质PCM阵列、以及操作PCM的控制器——PCM控制器，用于处理固态硬盘系统对PCM发起的读、写、擦命令。其中HOST接口协议包括但不仅限于SATA、PCIE、NVME。
图2是两级映射表示意图，采用两级映射表管理,具体包括一级表和二级表,所述二级表存储在相变存储器PCM中，所述二级表记录所有用户数据页逻辑地址到物理地址的关系,所述二级表按颗粒度G分割为多个二级表子单元,硬盘控制器的缓存以二级表子单元为基本单元进行数据置换。
二级表记录所有用户数据页逻辑地址到NAND物理地址之间的映射关系。二级表由数据页逻辑地址索引，每个表项值为该数据页在NAND存储的物理地址。二级表按颗粒度G分割成多个二级表子单元，每个二级表子单元是二级表与片上SRAM中二级表cache置换的基本单元，也是二级表保存到PCM的基本单元。
将二级表子单元按照其在二级表中的位置依次编号得到二级表子单元编号i的集合{0,1,2,3…N}。以二级表子单元编号i作为一级表的索引，第i个一级表项值为二级表子单元i在PCM中存储的物理地址。
数据页逻辑地址对颗粒度G取模运算得到的商为一级表索引值i，得到的余数为数据页逻辑地址在二级表子单元i中的偏移量offset。
图3是片上缓存区域划分示意图，片上SRAM分为若干个区域，其中两个区域分别用于存储完整的一级表和二级表cache，如图三所示。二级表cache使用LRU(最近最久未使用)策略进行二级表子单元的置换。
图4是数据页写入示意图，对于HOST数据页写操作执行以下步骤。
1)数据页逻辑地址对颗粒度G进行取模运算得到一级表索引值i，二级表子单元i内偏移量offset；
2)使用i对二级表cache执行命中检查，若命中，转至步骤6)，否则执行步骤3)；
3)从二级表cache中选中最近最久未使用的二级表子单元，若选中的二级表子单元为“脏”，执行步骤4)，否则转至步骤5)；
4)将该二级表子单元写入PCM中，并更新一级表中对应的表项值为新的PCM物理地址；
5)使用一级表索引值i从一级表中获取二级表子单元i在PCM中存储的物理地址，并从PCM中读出二级表子单元i，替换二级表cache中选中的最近最久未使用的二级表子单元；
6)将数据页逻辑地址中用户数据写入新的NAND物理地址；
7)更新二级表cache中命中或者置换的二级表子单元i offset位置对应的表项值为新的NAND物理地址并置cache中二级表子单元为“脏“。
图5是数据页读示意图,对于HOST数据页读操作执行以下步骤:
A:数据页逻辑地址对颗粒度G进行取模运算得到一级表索引值i，二级表子单元i内偏移量offset；
B:使用i对二级表cache执行命中检查，若命中，转至步骤F)，否则执行步骤C)；
C:从二级表cache中选中最近最久未使用的二级表子单元，若选中的二级表子单元为“脏”，执行步骤D)，否则转至步骤E)；
D:将该“脏”的二级表子单元写入PCM中，并更新一级表中对应表项值为新的PCM物理地址；
E:使用一级表索引值i从一级表中获取二级表子单元i在PCM中存储的物理地址，并从PCM中读出二级表子单元i，替换二级表cache中选中的最近最久未使用的二级表子单元；
F:从二级表cache中命中或者置换的二级表子单元i offset位置处获取NAND物理地址；
H:从该NAND物理地址处读出数据页用户数据。
以上所揭露的仅为本发明一种实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种基于相变存储器的映射管理方法,其特征在于采用两级映射表管理,具体包括一级表和二级表,所述二级表存储在相变存储器PCM中，所述二级表记录所有用户数据页逻辑地址到物理地址的关系,所述二级表按颗粒度G分割为多个二级表子单元,硬盘控制器的缓存以二级表子单元为基本单元进行数据置换；硬盘控制器的缓存至少包括2个区域，区域一缓存完整的一级表，区域二用于缓存部分二级表子单元，根据优先置换最近最久未使用的二级表子单元的策略进行动态更新缓存中缓存的二级表子单元；二级表子单元按照其在二级表中的位置依次编号获得二级表子单元编号i的集合，将二级表子单元编号i的集合作为一级表的索引，第i个一级表项值为二级表子单元i在PCM中存储的物理地址。
2.根据权利要求1所述的基于相变存储器的映射管理方法,其特征在于数据页逻辑地址对颗粒度G取模运算得到的商为一级表索引值i，得到的余数为数据页逻辑地址在二级表子单元i中的偏移量offset。
3.一种基于相变存储器的映射管理的固态硬盘，包括HOST接口、CPU、片上SRAM、片内总线、NAAND控制器和NAND Flash，其特征在于还包括多个PCM阵列和PCM控制器，PCM阵列通过PCM控制器挂载在片内总线上；采用两级映射表管理,具体包括一级表和二级表,所述二级表存储在相变存储器PCM中，所述二级表记录所有用户数据页逻辑地址到物理地址的关系,所述二级表按颗粒度G分割为多个二级表子单元,硬盘控制器的缓存以二级表子单元为基本单元进行数据置换；硬盘控制器的缓存至少包括2个区域，区域一缓存完整的一级表，区域二用于缓存部分二级表子单元，根据优先置换最近最久未使用的二级表子单元的策略进行动态更新缓存中缓存的二级表子单元；二级表子单元按照其在二级表中的位置依次编号获得二级表子单元编号i的集合，将二级表子单元编号i的集合作为一级表的索引，第i个一级表项值为二级表子单元i在PCM中存储的物理地址。
4.根据权利要求3所述的基于相变存储器的映射管理的固态硬盘,其特征在于数据页逻辑地址对颗粒度G取模运算得到的商为一级表索引值i，得到的余数为数据页逻辑地址在二级表子单元i中的偏移量offset。
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