CN109284070B - 一种基于stt-mram固态存储器件断电恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于STT‑MRAM固态存储器件断电恢复方法，在异常断电时，将存放于系统内存中的LBA映射表，使用HASH算法压缩至STT‑MRAM中，在STT‑MRAM中存储压缩后的LBA映射HASH表；当发生异常断电后重新上电启动时，扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效，如果有效则将压缩后的LBA映射HASH表同步到系统内存中，如果无效则反向搜索到有效数据，根据搜索的结果，在系统内存中重建LBA映射表；将系统内存中LBA映射表下刷到存储介质中，异常断电恢复完成。本发明在SSD异常断电后，能够精确快速重建LBA映射表，增加系统可靠性，简化系统设计复杂度。

Description

一种基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法
技术领域
本发明属于计算机存储设备技术领域，尤其涉及一种基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法。
背景技术
计算机外部存储器目前主要有两种，磁盘(HDD)和固态硬盘(SSD)。SSD中的主要存储介质为闪存(FLASH MEMORY)，相比HDD，SSD的读写速度更快，随机访问性能更优秀，读写功耗更低，因此随着FLASH MEMORY制造工艺的提升和成本降低，SSD得到了越来越广泛的应用。
目前商用的SSD中的存储介质FLASH主要有两种结构：NOR和NAND。相比NOR FLASH，NAND FLASH具有更高的存储密度，更低的成本，是目前SSD的主流存储介质。但无论是NANDFLASH还是NOR FLASH，其存储介质的读、擦写速度分别在微秒级和毫秒级，无法与纳秒级的主机端处理器(HOST CPU)直接通信。
磁性随机存储器STT-MRAM(Spin Transfer Torque Magnetic Random AccessMemory)是一种新型高速高可靠的存储器，具备纳秒级的读写速度，可以兼容各类DRAM接口协议，具备1015级别的擦写寿命，而且掉电不丢失数据。
哈希算法(Hash)，是把任意长度的输入(又叫做预映射，pre-image)，通过散列算法，变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。这种转换是一种压缩映射，也就是，散列值的空间通常远小于输入的空间，不同的输入可能会散列成相同的输出，所以不可能从散列值来确定唯一的输入值。简单的说就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。
传统的SSD控制器上电时，需要把LBA映射表从NAND flash中读取出来，放入系统内存DRAM(Dynamic Random Access Memory)。由于NAND flash读所消耗的读潜伏期(tR)为微秒级别，典型为每page16K大小，消耗16K/60us，以1G的LBA映射表为例，大约需要4秒，根据SSD控制器架构和实现，所需时间可能会不同，但基本处于秒级。
NAND flash作为存储器件，在NAND flash处于编程状态时，发生异常断电可能会导致多种异常，如数据丢失，数据破坏。由于LBA映射表也是刷入NAND flash来保存，所以在异常断电发生时，可能破坏的是映射表，也可能是数据区。因此在异常断电恢复，需要使数据和表项恢复到一致的状态，并且处于最新数据，以免客户数据丢失或破坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法，利用STT-MRAM的高速读写性能和掉电非易失性能，当发生异常断电时，利用MRAM中的LBA映射HASH表，精确快速重建LBA映射表，增加系统可靠性，简化系统设计复杂度。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法，所述固态存储器件包括系统内存、存储介质和磁性随机存储器STT-MRAM，所述基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法，包括：
在异常断电时，将存放于系统内存中的LBA映射表，使用HASH算法压缩至STT-MRAM中，在STT-MRAM中存储压缩后的LBA映射HASH表；
当发生异常断电后重新上电启动时，扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效，如果有效则将压缩后的LBA映射HASH表同步到系统内存中，如果无效则反向搜索到有效数据，根据搜索的结果，在系统内存中重建LBA映射表；
将系统内存中LBA映射表下刷到存储介质中，异常断电恢复完成。
进一步地，所述扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效之前，还包括：
当发生异常断电后重新上电启动时，扫描存储介质中的LBA表项区，将扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表进行对比，如果压缩后的LBA映射HASH表比较新，则进入下一步，否则结束。
或者，所述扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效之前，还包括：
当发生异常断电后重新上电启动时，扫描存储介质中的LBA表项区，将扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表进行对比，如果压缩后的LBA映射HASH表比较新，则进入下一步，否则也进入下一步。即在扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表一致时，也继续进行后续的步骤，扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效，如果有效则将压缩后的LBA映射HASH表同步到系统内存中，如果无效则反向搜索到有效数据，根据搜索的结果，在系统内存中重建LBA映射表，进一步增加系统的稳定性。
本发明提出的一种基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法，利用STT-MRAM的高速读写性能和掉电非易失性能，异常断电时在STT-MRAM中存储压缩后的LBA映射HASH表，重新上电启动时，直接利用HASH压缩算法的单向快速检索功能，在MRAM中检索LBA映射HASH表，通过LBA映射HASH表和存储介质中真实数据存放位置比对，最终达到数据恢复的目的。本发明在SSD异常断电后，能够精确快速重建LBA映射表，增加系统可靠性，简化系统设计复杂度。
附图说明
图1为本发明基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法流程图；
图2为本发明HASH算法压缩示意图；
图3为本发明异常断电恢复流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。
如图1所示，本发明一种基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法，包括如下步骤：
步骤S1、在异常断电时，将存放于系统内存中的LBA映射表，使用HASH算法压缩至STT-MRAM中，在STT-MRAM中存储压缩后的LBA映射HASH表。
本实施例固态存储器件(SSD)包括系统内存、存储介质和磁性随机存储器(STT-MRAM)，其中系统内存一般采用DRAM，存储介质可以是NOR flash或NAND flash，以下以NANDflash为例进行说明。在NAND flash处于编程状态时，发生异常断电可能会导致多种异常，如数据丢失，数据破坏。由于LBA映射表也是刷入NAND flash来保存，所以在异常断电发生时，可能破坏的是映射表，也可能是数据区。即在异常断电时，由于flash性质，物理上记录的数据可能会被破坏。又由于下刷LBA映射表的延后，可能物理上记录的数据已经下刷成功，而下刷LBA映射表未完成。而这两种情况可能同时发生，即物理上记录的数据虽然下刷了，但是被异常断电所破坏，而LBA映射表同时也没有正确下刷。基于SSD这种情况，正确处理异常断电后的数据和LBA映射表就变得很重要。
本实施例SSD在异常断电时，将存放于DRAM中的LBA映射表，使用HASH算法压缩至MRAM中，在STT-MRAM中存储压缩后的LBA映射HASH表。由于MRAM的IO的低延时高带宽，整个压缩耗时为ns级别，可以忽略。
使用HASH算法压缩过程如图2所示，在图2中分别列出了原数据LBA映射表和压缩后的LBA映射HASH表。如图2所示，本实施例将HASH的key0值设为LBA0，即HASH表的key值与LBA表的序号一一对应，从而压缩了LBA映射表，降低了对STT-MRAM容量的需求。
需要说明的是，在异常断电时，可以通过电池或通过SSD中设置的专用电容充电后的放电时间来将存放于DRAM中的LBA映射表，使用HASH算法压缩至STT-MRAM中，在STT-MRAM中存储压缩后的LBA映射HASH表。由于MRAM的IO的低延时高带宽，整个压缩耗时为ns级别，可以忽略，完全可以实现LBA映射表的压缩存储。
步骤S2、当发生异常断电后重新上电启动时，扫描存储介质中的LBA表项区，将扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表进行对比，如果压缩后的LBA映射HASH表比较新，则进入下一步，否则结束。
在常规技术中，固态存储器件上电后，会先初始化硬件(STT-MRAM、DRAM、NANDflash等)，然后从NAND flash读取LBA映射表，在DRAM中加载LBA映射表。由于LBA映射表和数据都未受到破坏，因此在LBA映射表加载到DRAM中后，就能够接收主机的读写命令，进行读写处理。
本实施例STT-MRAM中保存完整的压缩后的LBA映射HASH表，而在异常断电时，NANDflash中还保存了异常断电前的LBA映射表，因此在发生异常断电后重新上电启动时，要先扫描存储介质(NAND flash)中的LBA表项区，将扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表进行对比。如果压缩后的LBA映射HASH表比较新，则说明在发生异常断电时，下刷LBA映射表没有完成，导致NAND flash中存储的LBA映射表比较旧，这时候进入下一步进行处理。
而如果压缩后的LBA映射HASH表与NAND flash中的LBA映射表一致，则说明异常断电时，没有破坏LBA映射表，NAND flash中LBA映射表已经是最新的，不需要进行处理，直接结束异常断电恢复流程，将LBA映射表导入到DRAM中，开始正常的数据读写。在后续的读写操作时，SSD在接收到主机的读写命令时，进行读写处理，在系统内存中产生LBA增量表，并周期性下刷到NAND flash中。关于固态存储器件异常断电恢复完成后的读写操作，属于现有技术范畴，这里不再赘述。
需要说明的是，将扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表进行对比，判断是否一致，可以通过LBA映射表中的序号对应的PPN字段序列号来比较，属于比较成熟的技术，这里不再赘述。
步骤S3、扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效，如果有效则将压缩后的LBA映射HASH表同步到系统内存中，如果无效则反向搜索到有效数据，根据搜索的结果，在系统内存中重建LBA映射表。
如果压缩后的LBA映射HASH表比较新，则说明在发生异常断电时，下刷LBA映射表没有完成，即未将系统内存DRAM中的LBA映射表下刷到NAND flash中。此时要在存储介质(NAND flash)的数据区扫描真实数据，通过比较来获取与有效真实数据对应的LBA映射表。
本实施例在存储介质(NAND flash)扫描真实数据，是根据STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表，扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的真实数据。
在扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据时，如果扫描发现对应的数据都是有效数据，则说明在异常断电时，数据已经安全下刷到存储介质，没有遭到破坏。这种情况下，仅是LBA映射表没有成功下刷到存储介质中，导致存储介质中的LBA映射表与MRAM中存储的不一致，只需将压缩后的LBA映射HASH表同步到系统内存中，完成系统内存中LBA映射表的重建。
在扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据时，如果扫描发现对应的数据是无效数据，说明数据下刷时断电导致了数据被破坏或者丢失，需要反向搜索。例如从存储介质的当前位置向上扫描，发现数据无效，则反向向下扫描，直到扫描到有效数据，根据扫描的有效数据对应的位置，在系统内存中重建LBA映射表。需要说明的是，在存储介质中，数据按照物理逻辑地址自下而上顺序存储，在向上扫描发现无效数据时，说明当前位置之上的数据都是无效数据，需要反向向下搜索，这里不再赘述。
而根据有效数据对应的物理逻辑地址，在系统内存中重建LBA映射表，只需要在MRAM中压缩后的LBA映射HASH表的基础上，将无效数据对应的部分删除即可。由于LBA映射表与存储介质存储位置的对应关系是一种成熟的技术，这里关于如何在系统内存中重建LBA映射表，不再赘述。
步骤S4、将系统内存中LBA映射表下刷到存储介质中，异常断电恢复完成。
在LBA映射表加载到DRAM中后，为了使得NAND flash中的LBA映射表一致，还需要将系统内存中LBA映射表下刷到NAND flash中，使得NAND flash中LBA映射表是最新的LBA映射表。
至此，异常断电恢复完成，在后续的读写操作时，SSD在接收到主机的读写命令时，进行读写处理，在系统内存中产生LBA增量表，并周期性下刷到NAND flash中。关于固态存储器件异常断电恢复完成后的读写操作，属于现有技术范畴，这里不再赘述。
图3示出了本发明技术方案异常断电恢复流程，描述了在异常断电后，重新上电时的LBA映射表的重建过程，与前述步骤S2-S4的过程相对应，这里不再赘述。
需要说明的是，上述步骤S1-S4是本发明技术方案的优选方案，容易理解的是，本发明还可以省略步骤S2，即在当发生异常断电后重新上电启动时，直接扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效，如果有效则将压缩后的LBA映射HASH表同步到系统内存中，如果无效则反向搜索到有效数据，根据搜索的结果，在系统内存中重建LBA映射表。可以看到，如果扫描存储介质中的LBA表项区，将扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表进行对比，是一致的情况下，说明存储介质中的LBA映射表是已经成功下刷完成的。在这种情况下，扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效时，扫描的数据都是有效的。即省略步骤S2时，也可以处理扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表一致的情况。
然而，在具有步骤S2的情况下，可以在扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表一致的情况下，直接结束异常断电恢复过程，将存储介质中的LBA映射表导入都系统内存中，开始后续的读写操作，节约了流程处理的时间。
此外，在扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表一致的情况下，也可以继续进行步骤S3-S4的操作，以进一步判断是否有无效数据的情况，避免数据遭到破坏的情况，提高了系统的稳定性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法，所述固态存储器件包括系统内存、存储介质和磁性随机存储器STT-MRAM，其特征在于，所述基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法，包括：
在异常断电时，将存放于系统内存中的LBA映射表，使用HASH算法压缩至STT-MRAM中，在STT-MRAM中存储压缩后的LBA映射HASH表；
当发生异常断电后重新上电启动时，扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效，如果有效则将压缩后的LBA映射HASH表同步到系统内存中，如果无效则反向搜索到有效数据，根据搜索的结果，在系统内存中重建LBA映射表；
将系统内存中LBA映射表下刷到存储介质中，异常断电恢复完成。
2.根据权利要求1所述的基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法，其特征在于，所述扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效之前，还包括：
当发生异常断电后重新上电启动时，扫描存储介质中的LBA表项区，将扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表进行对比，如果压缩后的LBA映射HASH表比较新，则扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效，否则结束。
3.根据权利要求1所述的基于STT-MRAM固态存储器件断电恢复方法，其特征在于，所述扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效之前，还包括：
当发生异常断电后重新上电启动时，扫描存储介质中的LBA表项区，将扫描得到的LBA映射表与STT-MRAM中压缩后的LBA映射HASH表进行对比，如果压缩后的LBA映射HASH表比较新，则扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效，否则也扫描压缩后的LBA映射HASH表对应的数据，判断对应的数据是否有效。
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