CN109240939A - 一种快速处理固态硬盘trim的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速处理固态硬盘TRIM的方法。它具体操作步骤如下：（1）TRIM状态表以LBA为索引，代表对应的LBA是否等待TRIM，将k个LBA映射到一个TRIM节点，以TRIM节点为索引建立一个TRIM节点状态表，TRIM节点状态表的内容为每个节点的状态；（2）当主机下发TRIM命令后，SSD控制器根据起始LBA地址和范围将TRIM状态表和TRIM节点状态表更新，将主机所要TRIM的LBA信息记录下来，更新完TRIM状态表和TRIM节点状态表的时候向主机返回TRIM命令；（3）设备表项处理模块在背景上将记录的待TRIM的LBA进行TRIM操作完成。本发明的有益效果是：解决TRIM命令处理延时巨大的问题的方法；在TRIM背景处理过程中优先响应主机IO的表项的请求，使得SSD的性能不受背景TRIM操作的明显影响。

Description

一种快速处理固态硬盘TRIM的方法
技术领域
本发明涉及固态存储相关技术领域，尤其是指一种快速处理固态硬盘TRIM的方法。
背景技术
固态硬盘(Solid State Drives，SSD) 采用非易失性存储器(Non-VolatileMemory，NVM)作为存储介质。该种介质物理上不支持覆盖写，需要擦除操作之后才能写入数据，而且需按照块(block)的粒度进行擦除，按照页(Page)的粒度进行写入，所以即使当某个块当中的有些页的数据已经无效，也不能将其擦除，而是要通过垃圾回收(GarbageCollection，GC)将有效的页搬移到其他块并修改逻辑页和物理页地址的映射关系(Logical to Physical，L2P)，使得该块的有效页计数(Valid Page Counter，VPC)为0，再将其擦除。由于系统读写的物理带宽资源及介质的擦除次数均是有限的，所以GC的行为将直接影响到系统的读写性能和使用寿命。
操作系统在删除一个文件时候，文件系统会把相应的空间标识成空，允许新的数据进行覆盖写， 但是下层的SSD控制器无法感知这些空间已经无效，还会继续将这些已经无效的数据进行搬移，从而影响SSD设备的性能和使用寿命。为此，微软联合各大SSD厂商提出一种TRIM指令：主机通过向SSD设备下发TRIM命令，告诉SSD设备哪些空间将不被再用，使SSD设备可以避免无效数据的搬移。主机每次下发的TRIM命令包含起始逻辑地址(LBA)和范围。SSD控制器在处理每个LBA的TRIM的时候需要将对应页的L2P修改成无效，并将对应块的VPC减1。当主机需要TRIM的LBA范围增加的时候，这种逐个LBA处理的所需的时间呈线性增加，后续所有主机下发的IO命令将会被阻塞，导致巨大的主机IO延时，甚至超时。所以，如何快速地完成TRIM命令显得非常关键，也是SSD控制器设计的一个难点。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种能够有效解决TRIM命令处理延时的快速处理固态硬盘TRIM的方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种快速处理固态硬盘TRIM的方法，采用TRIM状态表和TRIM节点状态表记录主机下发的待TRIM的LBA并快速向主机返回TRIM命令，之后通过设备表项处理模块在背景中处理待TRIM的LBA，具体操作步骤如下：
（1）TRIM 状态表以LBA为索引，代表对应的LBA是否等待TRIM，将k个LBA映射到一个TRIM 节点，以TRIM节点为索引建立一个TRIM节点状态表，TRIM节点状态表的内容为每个节点的状态；
（2）当主机下发TRIM命令后，SSD控制器根据起始LBA地址和范围将TRIM状态表和TRIM节点状态表更新，将主机所要TRIM的LBA信息记录下来，更新完TRIM 状态表和TRIM节点状态表的时候向主机返回TRIM命令；
（3）设备表项处理模块在背景上将记录的待TRIM的LBA进行TRIM操作完成。
本发明提出一种通过建立多个TRIM相关表项，快速地将主机TRIM的LBA记录下来并返回TRIM命令，之后在背景中处理TRIM的各个操作，解决TRIM命令处理延时巨大的问题的方法。同时，该方法在TRIM背景处理过程中优先响应主机IO的表项的请求，使得SSD的性能不受背景TRIM操作的明显影响。通过上述方法可以通过少量的TRIM状态表和TRIM节点状态表的修改，就可以记住主机所要TRIM的LBA；随着主机发送的TRIM的LBA范围的增加，所需要修改的表项增加量极小，TRIM返回的时间对TRIM范围不敏感，可以保证任意TRIM范围下SSD控制器快速返回TRIM给主机；由于表项处理模块的处理属于控制面处理，相对于数据面在整个系统中不易成为系统瓶颈，所以系统背景TRIM操作可以很快完成。由于系统在TRIM背景处理过程中，优先响应主机的表项访问，所以背景TRIM的处理过程中，不会对系统性能产生明显的影响。
作为优选，在步骤（1）中，k的取值根据系统调整，通过TRIM节点状态表可以获悉：该节点中是否有LBA待TRIM，是所有LBA待TRIM还是部分LBA待TRIM的信息；如果是部分LBA待TRIM，则可以通过查找该节点中每个LBA对应的TRIM状态表得知哪些LBA待TRIM；初始时，所有的TRIM 状态表设成M0状态，表示对应的LBA不需要TRIM；所有的TIRM节点状态表设成S0，表示对应节点中没有LBA需要TRIM。
作为优选，在步骤（2）中，更新方法如下：LBA范围所覆盖的节点中，中间节点的节点状态一律更新成S1，表示该节点的所有LBA待TRIM，对应的TRIM状态表无需处理；对于头尾节点，如果没有按照节点的粒度对齐，则将其节点状态更新成S2，表示该节点有部分LBA待TRIM，并根据该节点中待TRIM的LBA分布将对应的TRIM状态表更新成M1，表示对应的LBA需要TRIM。
作为优选，在步骤（3）中，具体的TRIM操作如下：设备的表项处理模块在空闲的时候将状态为S1或者S2的TRIM节点逐个处理，如果是S1的节点，先把该节点状态改成S2，所对应的所有的TRIM状态表状态改成M1，然后按照TRIM状态表逐个LBA进行处理，处理完之后退出该节点，并将该节点状态更新成S0；如果是S2的节点，直接按照TRIM状态表逐个LBA进行处理，处理完成后退出该节点，并将该节点状态更新成S0。
作为优选，在步骤（3）中，当有主机IO读写命令下发到设备的时候，如果设备正在处理某一个TRIM节点，设备立即退出当前的节点转而处理主机IO读写所击中的LBA表项操作，待完成后再继续执行背景TRIM；如果主机下发的是IO正好是待TRIM的LBA，那么如果主机下发的是IO读，则直接返回无效；如果主机下发的是IO写，且该LBA是待TRIM的LBA，则更新L2P表和VPC表，更新TRIM状态表为M0。
作为优选，在步骤（3）中，在垃圾回收的时候，SSD控制器先查找TRIM状态表确认将要搬移的LBA是否是待TRIM的LBA，如果是，就不进行搬移，防止搬移无效的数据。
本发明的有益效果是：快速地将主机TRIM的LBA记录下来并返回TRIM命令，之后在背景中处理TRIM的各个操作，解决TRIM命令处理延时巨大的问题的方法；在TRIM背景处理过程中优先响应主机IO的表项的请求，使得SSD的性能不受背景TRIM操作的明显影响。
附图说明
图1是本发明的表项映射关系示意图；
图2是本发明的表项映射关系实例图；
图3是本发明的表项更新示意图；
图4是本发明的TRIM节点状态转换示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
一种快速处理固态硬盘TRIM的方法，采用TRIM状态表和TRIM节点状态表记录主机下发的待TRIM的LBA并快速向主机返回TRIM命令，之后通过设备表项处理模块在背景中处理待TRIM的LBA，具体操作步骤如下：
（1）TRIM 状态表以LBA为索引，代表对应的LBA是否等待TRIM，将k个LBA映射到一个TRIM 节点，以TRIM节点为索引建立一个TRIM节点状态表，TRIM节点状态表的内容为每个节点的状态，如图1所示；k的取值根据系统调整，通过TRIM节点状态表可以获悉：该节点中是否有LBA待TRIM，是所有LBA待TRIM还是部分LBA待TRIM的信息；如果是部分LBA待TRIM，则可以通过查找该节点中每个LBA对应的TRIM状态表得知哪些LBA待TRIM；初始时，所有的TRIM状态表设成M0状态，表示对应的LBA不需要TRIM；所有的TIRM节点状态表设成S0，表示对应节点中没有LBA需要TRIM。
（2）当主机下发TRIM命令后，SSD控制器根据起始LBA地址和范围将TRIM状态表和TRIM节点状态表更新，将主机所要TRIM的LBA信息记录下来，更新完TRIM 状态表和TRIM节点状态表的时候向主机返回TRIM命令；更新方法如下：LBA范围所覆盖的节点中，中间节点的节点状态一律更新成S1，表示该节点的所有LBA待TRIM，对应的TRIM状态表无需处理；对于头尾节点，如果没有按照节点的粒度对齐，则将其节点状态更新成S2，表示该节点有部分LBA待TRIM，并根据该节点中待TRIM的LBA分布将对应的TRIM状态表更新成M1，表示对应的LBA需要TRIM。
（3）设备表项处理模块在背景上将记录的待TRIM的LBA进行TRIM操作完成；具体的TRIM操作如下：设备的表项处理模块在空闲的时候将状态为S1或者S2的TRIM节点逐个处理，如果是S1的节点，先把该节点状态改成S2，所对应的所有的TRIM状态表状态改成M1，然后按照TRIM状态表逐个LBA进行处理，处理完之后退出该节点，并将该节点状态更新成S0；如果是S2的节点，直接按照TRIM状态表逐个LBA进行处理，处理完成后退出该节点，并将该节点状态更新成S0。
当有主机IO读写命令下发到设备的时候，如果设备正在处理某一个TRIM节点，设备立即退出当前的节点转而处理主机IO读写所击中的LBA表项操作，待完成后再继续执行背景TRIM；如果主机下发的是IO正好是待TRIM的LBA，那么如果主机下发的是IO读，则直接返回无效；如果主机下发的是IO写，且该LBA是待TRIM的LBA，则更新L2P表和VPC表，更新TRIM状态表为M0。
在垃圾回收的时候，SSD控制器先查找TRIM状态表确认将要搬移的LBA是否是待TRIM的LBA，如果是，就不进行搬移，防止搬移无效的数据。
本发明的优点在于：可以通过少量的TRIM状态表和TRIM节点状态表的修改，就可以记住主机所要TRIM的LBA；随着主机发送的TRIM的LBA范围的增加，所需要修改的表项增加量极小，TRIM返回的时间对TRIM范围不敏感，可以保证任意TRIM范围下SSD控制器快速返回TRIM给主机；由于表项处理模块的处理属于控制面处理，相对于数据面在整个系统中不易成为系统瓶颈，所以系统背景TRIM操作可以很快完成。由于系统在TRIM背景处理过程中，优先响应主机的表项访问，所以背景TRIM的处理过程中，不会对系统性能产生明显的影响。
以下是本发明的一种具体实例：
如图2所示，每个L2P表位宽32bit，TRIM状态表位宽为1bit，TRIM节点状态表位宽为2bit。32k个TRIM状态表单元以作为一个组映射到一个TRIM节点表的单元。每个LBA的大小为4KB，如果SSD设备的容量为1TB，则L2P表的大小为1GB，TRIM状态表为32MB，TIRM节点状态表为2KB。
TRIM状态表一共有两种状态：0表示无需处理，1表示待TRIM。TIRM节点状态表，一共有3种状态：Idle(2’b00)，Pending(2’b01)，Dirty(2’b10)。其中Idle表示该节点没有待TRIM的LBA；Pending表示该节点的所有LBA待TRIM；Dirty表示该节点中有部分LBA待TRIM，需要根据TRIM状态表获悉哪些LBA等待被TRIM。
SSD设备上电初始化的时候，所有的TRIM节点状态表都初始化成Idle状态，所有TRIM状态清0。当主机下发TRIM命令后，SSD控制器根据起始LBA地址和范围将对应的TRIM节点状态表更新成pending状态，如果主机下发TRIM的LBA范围没有按照TRIM节点的粒度对齐，则将头尾非对其的LBA所对应的TRIM节点的状态成Dirty并将对应的TRIM状态表置成1，随后向主机返回TRIM命令完成。如图3所示，为主机下发TRIM的LBA范围从LBA(32k-2)~LBA(96k+1)，该范围共覆盖的LBA个数为62k+4，涉及两个完成的节点和两个不完整的头尾节点。SSD控制器将节点0和3的节点状态表改成dirty状态，并将相应的TRIM状态表置成1；同时将节点1和2的节点状态表改成pending状态，然后向主机返回TRIM命令。处理该64k+4个LBA的TRIM，SSD控制器只需要头尾TRIM节点各两个TRIM状态表及两个中间接点的TRIM节点状态表，一共2bit+2bit+2x2bit=8bit，就可以返回TRIM命令。
TRIM命令返回后，SSD控制器表项处理模块可以在背景上将主机需要TRIM的LBA真正TRIM掉。每个LBA的TRIM包括：L2P表项的修改、将原数据所在的块的VPC减1等操作。设备的表项处理模块将Pending或者Dirty的节点按照TRIM状态表逐个处理：如果是Pending的节点，先把改节点所对应的TRIM比特表置位并将其状态改为Dirty，然后按照TRIM比特表逐个LBA进行处理，处理完每个LBA的时候将对应的TRIM状态表清0，直至处理完所有LBA后退出该节点，并将该节点状态更新成Idle；如果是Dirty节点，直接按照TRIM状态表逐个LBA进行处理，处理完成后退出该节点，并将该节点状态更新成idle，如图4所示。
SSD控制器在背景上处理待TRIM的LBA的时候，如果主机再下发TRIM命令的时候上一条TRIM命令的背景操作还未完成，同样可以按照上述流程进行处理。
实例中，SSD控制器正在处理TRIM节点0的时候：
如果主机下发了写LBA(100k)，SSD控制器立即退出当前的节点0转而处理主机IO写所击中的LBA(100k)的表项操作，由于LBA(100k)不属于待TIRM的LBA，SSD控制器按照正常写来处理LBA(100k)表项操作，然后返回继续处理节点0；如果主机下发写LBA(64k)，SSD控制器立即退出节点0，由于LBA(64k)位于节点2，且该节点状态为Pending，SSD控制器先将节点2改成Dirty状态，将该节点所有TRIM状态表置成1，再将LBA(64k)对应TRIM状态表清0，然后再更改L2P表，修改VPC表等操作，然后再继续执行背景TRIM。
如果主机下发了读LBA(100k)，SSD控制器立即退出节点0转而处理主机IO读所击中的LBA(100k)的表项操作，由于LBA(100k)不属于待TRIM的LBA，SSD控制器将L2P里面指向的物理地址中的数据返回给主机。如果主机下发读LBA(64k)，SSD控制器立即退出节点0，由于LBA(64k)位于节点2，该节点是状态为Pending，SSD控制器将向主机返回无效的数据。然后表项处理模块继续处理背景的TRIM。
SSD控制器在做垃圾回收的时候，先查找将要搬移的LBA是否是待TRIM的LBA，如果是，就不进行搬移，防止搬移无效的数据。

Claims (6)

1.一种快速处理固态硬盘TRIM的方法，其特征是，采用TRIM状态表和TRIM节点状态表记录主机下发的待TRIM的LBA并快速向主机返回TRIM命令，之后通过设备表项处理模块在背景中处理待TRIM的LBA，具体操作步骤如下：
TRIM 状态表以LBA为索引，代表对应的LBA是否等待TRIM，将k个LBA映射到一个TRIM节点，以TRIM节点为索引建立一个TRIM节点状态表，TRIM节点状态表的内容为每个节点的状态；
当主机下发TRIM命令后，SSD控制器根据起始LBA地址和范围将TRIM状态表和TRIM节点状态表更新，将主机所要TRIM的LBA信息记录下来，更新完TRIM 状态表和TRIM节点状态表的时候向主机返回TRIM命令；
设备表项处理模块在背景上将记录的待TRIM的LBA进行TRIM操作完成。
2.根据权利要求1所述的一种快速处理固态硬盘TRIM的方法，其特征是，在步骤（1）中，k的取值根据系统调整，通过TRIM节点状态表可以获悉：该节点中是否有LBA待TRIM，是所有LBA待TRIM还是部分LBA待TRIM的信息；如果是部分LBA待TRIM，则可以通过查找该节点中每个LBA对应的TRIM状态表得知哪些LBA待TRIM；初始时，所有的TRIM 状态表设成M0状态，表示对应的LBA不需要TRIM；所有的TIRM节点状态表设成S0，表示对应节点中没有LBA需要TRIM。
3.根据权利要求2所述的一种快速处理固态硬盘TRIM的方法，其特征是，在步骤（2）中，更新方法如下：LBA范围所覆盖的节点中，中间节点的节点状态一律更新成S1，表示该节点的所有LBA待TRIM，对应的TRIM状态表无需处理；对于头尾节点，如果没有按照节点的粒度对齐，则将其节点状态更新成S2，表示该节点有部分LBA待TRIM，并根据该节点中待TRIM的LBA分布将对应的TRIM状态表更新成M1，表示对应的LBA需要TRIM。
4.根据权利要求3所述的一种快速处理固态硬盘TRIM的方法，其特征是，在步骤（3）中，具体的TRIM操作如下：设备的表项处理模块在空闲的时候将状态为S1或者S2的TRIM节点逐个处理，如果是S1的节点，先把该节点状态改成S2，所对应的所有的TRIM状态表状态改成M1，然后按照TRIM状态表逐个LBA进行处理，处理完之后退出该节点，并将该节点状态更新成S0；如果是S2的节点，直接按照TRIM状态表逐个LBA进行处理，处理完成后退出该节点，并将该节点状态更新成S0。
5.根据权利要求4所述的一种快速处理固态硬盘TRIM的方法，其特征是，在步骤（3）中，当有主机IO读写命令下发到设备的时候，如果设备正在处理某一个TRIM节点，设备立即退出当前的节点转而处理主机IO读写所击中的LBA表项操作，待完成后再继续执行背景TRIM；如果主机下发的是IO正好是待TRIM的LBA，那么如果主机下发的是IO读，则直接返回无效；如果主机下发的是IO写，且该LBA是待TRIM的LBA，则更新L2P表和VPC表，更新TRIM状态表为M0。
6.根据权利要求4或5所述的一种快速处理固态硬盘TRIM的方法，其特征是，在步骤（3）中，在垃圾回收的时候，SSD控制器先查找TRIM状态表确认将要搬移的LBA是否是待TRIM的LBA，如果是，就不进行搬移，防止搬移无效的数据。
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