CN109189348B - 基于电荷捕获型3d tlc闪存的存储系统的读性能优化方法 - Google Patents

基于电荷捕获型3d tlc闪存的存储系统的读性能优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，包括：对于上层文件系统下发的任意一个读请求，获得存储有全部或部分被请求数据的所有物理页，从而得到物理页集合，并将物理页集合中每一个物理页的读次数加1；对于物理页集合中的任意一个物理页，若为有效页且其读次数大于预设的读次数阈值，并且不存在与该物理页相对应的中间页，则将该物理页作为原物理页，并在闪存中确定一个空闲的物理页作为目标页，并将原物理页中的数据拷贝至目标页中；将原物理页标记为中间页，并将目标页标记为有效页；针对当前读请求的优化处理结束。本发明能够提高读操作的并行性，从而提升存储系统整体的读性能。

Description

基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法
技术领域
本发明属于计算机存储领域，更具体地，涉及一种基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法。
背景技术
基于电荷捕获型(Charge Trap，CT)3D TLC闪存的存储系统与传统的基于2D闪存的存储系统相比，具有存储密度高、可扩展性强的优点，从而得到了日益广泛的应用。在电荷捕获型3D TLC中，一个字线上有低页、中页和高页三种页，执行写操作时，一个字线上的三个页同时写，执行读操作时，这三个页分别读。研究发现，对不同类型的页进行读操作的速度不同，具体表现为，低页和高页的读延时显著低于中页。
目前，在一些对读请求响应延时要求较高的专用存储系统中，针对读性能的优化存在着一定的瓶颈。另一方面，基于闪存的存储系统存在不定期的垃圾回收操作，该操作因涉及到大量的闪存擦除以及数据迁移而耗时较长，会导致读请求下发后由于被垃圾回收操作长时间阻塞而响应延时较大。
总的来说，在基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统中，读性能还存在进一步优化的空间。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，其目的在于，识别出闪存中的读热点数据，并在闪存中为读热点数据保留两个副本，从而提高读操作的并行性，进而提升存储系统整体的读性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，包括如下步骤：
(1)对于上层文件系统下发的任意一个读请求，获得存储有全部或部分被请求数据的所有物理页，从而得到物理页集合，并将物理页集合中每一个物理页的读次数加1；
(2)对于物理页集合中的任意一个物理页，若为有效页且其读次数大于预设的读次数阈值，则转入步骤(3)；否则，转入步骤(5)；
(3)判断物理页集合中，是否存在与该物理页相对应的中间页，若是，则转入步骤(5)；否则，转入步骤(4)；
(4)将该物理页作为原物理页，并在闪存中确定一个空闲的物理页作为目标页，并将原物理页中的数据拷贝至目标页中；将原物理页标记为中间页，并将目标页标记为有效页；
(5)针对当前读请求的优化处理结束。
通过记录数据的读次数，能够识别出一个周期内被读请求访问较多的数据，即热点数据；在闪存中为热点数据保留两个副本，一方面，上层文件系统下发的读请求能够并行地访问闪存中的两个副本，从而充分利用读操作的并行性，减小对热点数据的读延时，提升整体的读性能；另一方面，能够降低因闪存页损坏造成数据丢失的风险。
在本发明所提供的方法中，读次数阈值的具体取值与负载模式相关，负载的读请求越密集，对应的读次数阈值越大，以保证能够准确识别出热点数据。
进一步地，本发明提供的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，还包括：若发生擦除操作，则在擦除操作结束后，将被擦除物理块中的所有物理页的读次数置为0。
进一步地，本发明提供的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，还包括：若发生垃圾回收操作，则将中间页与无效页均作为操作对象；在垃圾回收操作中将中间页和无效页均作为操作对象，能够同时回收中间页和无效页的存储空间，从而在闪存中空闲存储空间不足时释放更多的存储空间，在提升存储系统读性能的同时保证较高的存储空间利用率。
进一步地，步骤(4)中，确定目标页的方式包括：
(41)在原物理页所属通道之外的其他通道中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(42)；
(42)在同一通道内，原物理页所属芯片之外的其他芯片中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(43)；
(43)在同一芯片内，原物理页所属晶圆之外的其他晶圆中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(44)；
(44)在同一晶圆内，原物理页所属分组之外的其他分组中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(45)；
(45)在同一分组内，原物理页所属物理块之外的其他物理块中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(46)；
(46)在原物理页所属物理块中获取一个空闲的物理页，并转入步骤(47)；
(47)将所获取的空闲的物理页确定为目标页。
在闪存中，存在多级并行性，按照优先级从高到低的顺序依次是：不同通道、不同芯片、不同晶圆、不同分组、不同块；按照并行性优先级的顺序选择用于复制热点数据的目标页，能够最大程度地提高读请求访问的并行性，从而提高系统的读性能。
进一步地，目标页为高页或者低页；由于同一字线上，低页和高页的读延时显著低于中页，将热点数据复制到读延时较低的低页或者高页，可以有效降低系统的整体读延时。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，通过记录数据的读次数，能够识别出一个周期内被读请求访问较多的数据，即热点数据；在闪存中为热点数据保留两个副本，一方面，上层文件系统下发的读请求能够并行地访问闪存中的两个副本，从而充分利用读操作的并行性，减小对热点数据的读延时，提升整体的读性能；另一方面，能够降低因闪存页损坏造成数据丢失的风险。
(2)本发明所提供的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，在垃圾回收操作中将中间页和无效页均作为操作对象，能够同时回收中间页和无效页的存储空间，从而在闪存中空闲存储空间不足时释放更多的存储空间，在提升存储系统读性能的同时保证较高的存储空间利用率。
(3)本发明所提供的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，按照闪存并行性优先级的顺序选择用于复制热点数据的目标页，能够最大程度地提高读请求访问的并行性，从而提高系统的读性能。
(4)本发明所提供的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，将热点数据复制到读延时较低的低页或者高页，可以有效降低系统的整体读延时。
附图说明
图1为现有的闪存芯片的层次结构示意图；
图2为现有的基于闪存的存储系统的多通道结构示意图；
图3为本发明实施例提供的读性能优化方法流程图。
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。
在详细描述本发明的技术方案之前，先对闪存芯片中的相关基本概念进行简单介绍。如图1所示为一个现有的NAND型闪存芯片的结构示意图，该闪存芯片由五个层次组成，由外向内依次为：芯片(chip)—晶圆(die)—分组(plane)—块(block)—页(page)；其中，芯片层是最外层结构，通常，芯片层拥有一套完整的外围电路，外部信号线；晶圆层是闪存的第二层结构，多个晶圆被组合在一起，公用一套外围电路和外部信号线，但是为了执行高级命令，每个晶圆有一个内部的工作状态信号线；分组层是闪存中的关键层次，为了提高闪存的读写速度，在每个分组中设置了一个或多个寄存器，数据被暂存在这些寄存器中，通过I/O信号线逐步传入或传出；块层是闪存中擦除操作的基本单元，通常一个分组中有固定数量的物理块；页层是闪存中读写操作的基本单元，通常，一个物理块中有固定数量的物理页。如图1所示的闪存芯片中，共包括两个晶圆，每个晶圆包括两个分组，每个分组包括2048个物理块，并且每个物理块中包括64个物理页。
在基于闪存的存储系统中，通常以通道的形式组织闪存芯片，如图2所示。
在闪存中，空闲页、有效页以及无效页均用于表示不同状态的闪存物理页，具体含义如下：
空闲页：未存储数据，可直接写入数据；
有效页：存储有有效数据，可被读请求访问；
无效页：存储有因写更新操作而失效的数据，需要通过垃圾回收操作回收其存储空间。
在本发明中，在以上状态的基础之上，新增一个状态，即中间页，用于表示存储有有效数据、在一个擦除周期内读次数高于预设的读次数阈值且其中的数据已被拷贝至其他空闲页中的物理页。中间页与一个有效页相对应，并且与对应的有效页在读请求中被并行地访问，在垃圾回收操作中，中间页与无效页一起被回收。
以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明所提供的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，如图3所示，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对于上层文件系统下发的任意一个读请求，获得存储有全部或部分被请求数据的所有物理页，从而得到物理页集合，并将物理页集合中每一个物理页的读次数加1；
(2)对于物理页集合中的任意一个物理页，若为有效页且其读次数大于预设的读次数阈值，则转入步骤(3)；否则，转入步骤(5)；
读次数阈值的具体取值与负载模式相关，负载的读请求越密集，对应的读次数阈值越大，以保证能够准确识别出热点数据；
(3)判断物理页集合中，是否存在与该物理页相对应的中间页，若是，则转入步骤(5)；否则，转入步骤(4)；
(4)将该物理页作为原物理页，并在闪存中确定一个空闲的物理页作为目标页，并将原物理页中的数据拷贝至目标页中；将原物理页标记为中间页，并将目标页标记为有效页；
在一个可选的实时方式中，步骤(4)中，确定目标页的方式包括：
(41)在原物理页所属通道之外的其他通道中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(42)；
(42)在同一通道内，原物理页所属芯片之外的其他芯片中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(43)；
(43)在同一芯片内，原物理页所属晶圆之外的其他晶圆中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(44)；
(44)在同一晶圆内，原物理页所属分组之外的其他分组中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(45)；
(45)在同一分组内，原物理页所属物理块之外的其他物理块中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(46)；
(46)在原物理页所属物理块中获取一个空闲的物理页，并转入步骤(47)；
(47)将所获取的空闲的物理页确定为目标页；
在闪存中，存在多级并行性，按照优先级从高到低的顺序依次是：不同通道、不同芯片、不同晶圆、不同分组、不同块；按照并行性优先级的顺序选择用于复制热点数据的目标页，能够最大程度地提高读请求访问的并行性，从而提高系统的读性能；
在一个可选的实施方式中，所选定的目标页为高页或者低页；由于同一字线上，低页和高页的读延时显著低于中页，将热点数据复制到读延时较低的低页或者高页，可以有效降低系统的整体读延时；
(5)针对当前读请求的优化处理结束。
本发明通过记录数据的读次数，能够识别出一个周期内被读请求访问较多的数据，即热点数据；在闪存中为热点数据保留两个副本，一方面，上层文件系统下发的读请求能够并行地访问闪存中的两个副本，从而充分利用读操作的并行性，减小对热点数据的读延时，提升整体的读性能；另一方面，能够降低因闪存页损坏造成数据丢失的风险。
在一个可选的实施方式中，本发明提供的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，还包括：若发生擦除操作，则在擦除操作结束后，将被擦除物理块中的所有物理页的读次数置为0。
在一个可选的实施方式中，本发明提供的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，还包括：若发生垃圾回收操作，则将中间页与无效页均作为操作对象；在垃圾回收操作中将中间页和无效页均作为操作对象，能够同时回收中间页和无效页的存储空间，从而在闪存中空闲存储空间不足时释放更多的存储空间，在提升存储系统读性能的同时保证较高的存储空间利用率。
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 (5)

1.一种基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对于上层文件系统下发的任意一个读请求，获得存储有全部或部分被请求数据的所有物理页，从而得到物理页集合，并将所述物理页集合中每一个物理页的读次数加1；
(2)对于所述物理页集合中的任意一个物理页，若为有效页且其读次数大于预设的读次数阈值，则转入步骤(3)；否则，转入步骤(5)；
(3)判断所述物理页集合中，是否存在与该物理页相对应的中间页，若是，则转入步骤(5)；否则，转入步骤(4)；
(4)将该物理页作为原物理页，并在闪存中确定一个空闲的物理页作为目标页，并将所述原物理页中的数据拷贝至所述目标页中；将所述原物理页标记为中间页，并将所述目标页标记为有效页；
(5)针对当前读请求的优化处理结束；
其中，中间页用于表示存储有有效数据、在一个擦除周期内读次数高于预设的读次数阈值且其中的数据已被拷贝至其他空闲页中的物理页；中间页与一个有效页相对应，并且与对应的有效页在读请求中被并行地访问。
2.如权利要求1所述的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，其特征在于，还包括：若发生擦除操作，则在擦除操作结束后，将被擦除物理块中的所有物理页的读次数置为0。
3.如权利要求1或2所述的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读 性能优化方法，其特征在于，还包括：若发生垃圾回收操作，则将中间页与无效页均作为操作对象。
4.如权利要求1或2所述的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中，确定所述目标页的方式包括：
(41)在所述原物理页所属通道之外的其他通道中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(42)；
(42)在同一通道内，所述原物理页所属芯片之外的其他芯片中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(43)；
(43)在同一芯片内，所述原物理页所属晶圆之外的其他晶圆中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(44)；
(44)在同一晶圆内，所述原物理页所属分组之外的其他分组中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(45)；
(45)在同一分组内，所述原物理页所属物理块之外的其他物理块中获取一个空闲的物理页，若获取成功，则转入步骤(47)；否则，转入步骤(46)；
(46)在原物理页所属物理块中获取一个空闲的物理页，并转入步骤(47)；
(47)将所获取的空闲的物理页确定为所述目标页。
5.如权利要求1或2所述的基于电荷捕获型3D TLC闪存的存储系统的读性能优化方法，其特征在于，所述目标页为高页或者低页。
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