CN110297603B - 基于固态硬盘的随机写性能提升方法、装置和计算机设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种基于固态硬盘的随机写性能提升方法、装置、计算机设备和存储介质，其中该方法包括：SSD固件分配并建立多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系；主机数据写入SLC闪存中，所述数据写入的物理位置为所述多个SLC物理块中第一个SLC物理块的第一个SLC物理页；根据所述绑定关系，将对应的TLC物理块的第一个物理页作为所述数据的物理地址信息更新到L2P表中；将剩余数据以及对应的映射信息按照上述步骤依次写入到SLC闪存中；当SLC闪存满了之后，将所述多个SLC物理块中的所有数据根据绑定关系搬移到对应的TLC物理块中。本发明实现了提升随机写场景下的SSD性能。

Description

基于固态硬盘的随机写性能提升方法、装置和计算机设备
技术领域
本发明涉及固态硬盘技术领域，特别是涉及一种基于固态硬盘的随机写性能提升方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
目前，消费级SSD(固态硬盘)领域竞争越来越激烈，低成本的SSD在市场上能够占据主动，而一个SSD的料件中，闪存和DRAM占成本的大头，所以TLC(Triple Level Cell)闪存加上DRAM-Less的主控能够大大降低成本。
在传统技术中，参考图1所示，TLC物理块可以设置成SLC(Single Level Cell)模式作为Cache，SLC物理块拥有更高的读写性能，主机的数据先写入Cache，所以写性能表现很好。但是，SLC模式物理块的总可用容量却是TLC模式的三分之一，所以SLC Cache不会很大，在Cache满了后固件内部任务需要将SLC Cache中数据搬移到容量很大的TLC物理块中，既然数据存储的物理位置变化了，映射表也必须更新，所以必须从闪存(为提升性能，L2P表放在SLC区域)上读出旧的映射内容，更新后再写到闪存中，这个时间比较长。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可以实现提升SSD随机写性能的基于固态硬盘的随机写性能提升方法、装置、计算机设备和存储介质。
一种基于固态硬盘的随机写性能提升方法，所述方法包括：
SSD固件分配并建立多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系；
主机数据写入SLC闪存中，所述数据写入的物理位置为所述多个SLC物理块中第一个SLC物理块的第一个SLC物理页；
根据所述绑定关系，将对应的TLC物理块的第一个物理页作为所述数据的物理地址信息更新到L2P表中；
将剩余数据以及对应的映射信息按照上述步骤依次写入到SLC闪存中；
当SLC闪存满了之后，将所述多个SLC物理块中的所有数据根据绑定关系搬移到对应的TLC物理块中。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
SSD固件解除所述多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
当主机读取数据时，SSD固件读取映射信息，获得TLC物理块的物理地址；
判断多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系是否依然存在；
若绑定关系不存在，则直接根据L2P表的映射信息从TLC区域取数据。
在其中一个实施例中，在所述判断多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系是否依然存在的步骤之后：
若绑定关系存在，则根据绑定关系从SLC物理块中读取数据。
一种基于固态硬盘的随机写性能提升装置，所述装置包括：
绑定模块，所述绑定模块用于SSD固件分配并建立多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系；
数据写入模块，所述数据写入模块用于主机数据写入SLC闪存中，所述数据写入的物理位置为所述多个SLC物理块中第一个SLC物理块的第一个SLC物理页；根据所述绑定关系，将对应的TLC物理块的第一个物理页作为所述数据的物理地址信息更新到L2P表中；将剩余数据以及对应的映射信息按照上述步骤依次写入到SLC闪存中；
数据搬移模块，所述数据搬移模块用于当SLC闪存满了之后，将所述多个SLC物理块中的所有数据根据绑定关系搬移到对应的TLC物理块中。
在其中一个实施例中，所述装置还包括解除绑定模块，所述解除绑定模块用于：
SSD固件解除所述多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系。
在其中一个实施例中，所述装置还包括数据读取模块，所述数据读取模块用于：
当主机读取数据时，SSD固件读取映射信息，获得TLC物理块的物理地址；
判断多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系是否依然存在；
若绑定关系不存在，则直接根据L2P表的映射信息从TLC区域取数据。
在其中一个实施例中，所述数据读取模块还用于：
若绑定关系存在，则根据绑定关系从SLC物理块中读取数据。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一项方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一项方法的步骤。
上述基于固态硬盘的随机写性能提升方法、装置、计算机设备和存储介质，通过SSD固件分配并建立多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系；主机数据写入SLC闪存中，所述数据写入的物理位置为所述多个SLC物理块中第一个SLC物理块的第一个SLC物理页；根据所述绑定关系，将对应的TLC物理块的第一个物理页作为所述数据的物理地址信息更新到L2P表中；将剩余数据以及对应的映射信息按照上述步骤依次写入到SLC闪存中；当SLC闪存满了之后，将所述多个SLC物理块中的所有数据根据绑定关系搬移到对应的TLC物理块中。本发明通过将多个SLC物理块与单个TLC物理块预定绑定，主机数据写入SLC闪存时将绑定的TLC物理地址写入映射表，后续数据搬移时就无需更新映射表，以此来提升随机写场景下的SSD性能。
附图说明
图1为传统技术中SLC闪存方案的结构示意图；
图2为传统技术中映射表频繁更新的流程示意图；
图3为一个实施例中基于固态硬盘的随机写性能提升方法的流程示意图；
图4为另一个实施例中基于固态硬盘的随机写性能提升方法的流程示意图；
图5为再一个实施例中基于固态硬盘的随机写性能提升方法的流程示意图；
图6为一个实施例中多个SLC物理块与TLC物理块进行绑定的示意图；
图7为一个实施例中主机读取数据过程的流程示意图；
图8为一个实施例中基于固态硬盘的随机写性能提升装置的结构框图；
图9为另一个实施例中基于固态硬盘的随机写性能提升装置的结构框图；
图10为再一个实施例中基于固态硬盘的随机写性能提升装置的结构框图；
图11为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
目前，TLC闪存的消费级SSD基本都会采用SLC Cache方案来提升SSD的读写性能，如图1所示。TLC物理块可以设置成SLC模式作为Cache，SLC物理块拥有更高的读写性能，主机的数据先写入Cache，所以写性能表现很好。但是SLC模式物理块的总可用容量却是TLC模式的三分之一，所以SLC Cache不会很大，在Cache满了后固件内部任务需要将SLC Cache中数据搬移到容量很大的TLC物理块中，既然数据存储的物理位置变化了，映射表也必须更新，所以必须从闪存(为提升性能，L2P表放在SLC区域)上读出旧的映射内容，更新后再写到闪存中，这个时间比较长。
为了方便表述技术内容，此处假设主机的LBA(Logical Block Address)大小等于闪存物理页的大小，都为4KB。
主机持续随机写场景下，SSD先将用户数据存到SLC Cache区域，对应的映射信息存到L2P区域，当SLC Cache区域填满之后固件需要启动数据搬移，将SLC Cache区域的数据搬到TLC区域，搬的越快，SLC Cache区域腾出空闲物理块越快，主机数据写入SLC Cache越快，即性能越高，主机数据以及映射信息流转步骤如下：
1、主机数据写入SLC Cache，花费时间为SLC_write。
2、将SLC区域的地址信息写入L2P表，花费时间为SLC_write。
3、SLC Cache满了之后读出SLC Cache中的有效物理页，花费时间为SLC_read。
4、将有效物理页写入到TLC区域，花费时间为TLC_write。
5、将TLC区域的地址信息更新到L2P表中，花费时间为SLC_write。
如图2所示，DRAM-Less搭配TLC闪存的SSD随机写性能较低的原因为数据在SLCCache搬移到TLC区域时映射表也必须同步更新，频繁的读写闪存花费时间很长。
本发明基于上述技术问题，对现有技术进行优化，在主机随机写场景下，结合SLC闪存的特性提出一种新的设计，能保证在SLC闪存数据搬移到TLC区域时不用更新映射表，降低映射表更新的频率，以此来提升性能。
在一个实施例中，如图3所示，提供了一种基于固态硬盘的随机写性能提升方法，该方法包括：
步骤302，SSD固件分配并建立多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系；
步骤304，主机数据写入SLC闪存中，数据写入的物理位置为多个SLC物理块中第一个SLC物理块的第一个SLC物理页；
步骤306，根据绑定关系，将对应的TLC物理块的第一个物理页作为数据的物理地址信息更新到L2P表中；
步骤308，将剩余数据以及对应的映射信息按照上述步骤依次写入到SLC闪存中；
步骤310，当SLC闪存满了之后，将多个SLC物理块中的所有数据根据绑定关系搬移到对应的TLC物理块中。
在一个实施例中，该方法还包括：
SSD固件解除多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系。
具体地，本实施例结合SLC Cache的特性提出一种新的设计，能保证在SLCCache数据搬移到TLC区域时不用更新映射表。既然SLC Cache中数据满了就要搬移到TLC中，那么我们可以事先绑定好3个SLC物理块(Block)和1个TLC物理块。例如，规定：数据搬移时这3个SLC物理块中的数据必须全部且只能搬移到绑定的那个TLC物理块中，如图6所示。假设TLC模式物理块包含六个物理页，每个物理页为4KB，则SLC模式的物理块只有两个有效的物理页，3个SLC物理块#A，#B，#C与1个TLC物理块#P绑定，绑定关系由固件维护，当主机数据进入SSD，主机数据以及映射信息流转步骤如下：
1、SSD固件分配并维护好SLC物理块#A,#B,#C与TLC物理块#P的绑定关系。
2、主机数据1写入SLC Cache中，闪存的物理位置为物理块#A的第一个SLC物理页。
3、如图6所示，根据绑定关系，后期搬移时数据1会被搬到TLC物理块#P的第一个TLC物理页，所以我们直接将物理块#P的第一个物理页作为数据1的物理地址信息更新到L2P表中。
4、数据2～6以及映射信息按照步骤2-3的描述写入到闪存中。
5、SLC Cache满了之后将SLC物理块#A，#B，#C中的所有数据1～6根据图3中的绑定关系搬移到TLC物理块#P中。
6、由于数据1～6的映射信息(物理地址)本来写的就是TLC物理块#P，所以无需更新映射地址，这也是本发明的核心。
7、SSD固件解除SLC物理块#A,#B,#C和TLC物理块#P的绑定关系。
所以，在主机持续随机写场景下，由于第六步中不需要更新映射表，直接去除了访问闪存的开销，大大提升了性能。
在本实施例中，通过将3个SLC物理块与1个TLC物理块预定绑定，主机数据写入SLCCache时将绑定的TLC物理地址写入映射表，后续数据搬移时就无需更新映射表，以此来提升随机写场景下的性能。
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种基于固态硬盘的随机写性能提升方法，该方法还包括：
步骤402，当主机读取数据时，SSD固件读取映射信息，获得TLC物理块的物理地址；
步骤402，判断多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系是否依然存在；
步骤404，若绑定关系不存在，则直接根据L2P表的映射信息从TLC区域取数据。
在一个实施例中，如图5所示，提供了一种基于固态硬盘的随机写性能提升方法，该方法步骤402之后还包括：
步骤408，若绑定关系存在，则根据绑定关系从SLC物理块中读取数据。
具体地，当主机读取数据时，SSD固件读取映射信息，获得的物理地址肯定是TLC物理块#P，SSD固件根据SLC物理块#A，#B，#C和TLC物理块#P的绑定关系是否存在来判定数据是在SLC Cache中还是TLC区域。如果绑定关系不在了则直接根据L2P表的映射信息从TLC区域取数据，否则根据图6的绑定关系从SLC物理块#A或#B或#C中取数据，具体流程可参考图7。
应该理解的是，虽然图3-7的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3-7中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图8所示，提供了一种基于固态硬盘的随机写性能提升装置800，该装置包括：
绑定模块801，用于SSD固件分配并建立多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系；
数据写入模块802，用于主机数据写入SLC闪存中，数据写入的物理位置为多个SLC物理块中第一个SLC物理块的第一个SLC物理页；根据绑定关系，将对应的TLC物理块的第一个物理页作为数据的物理地址信息更新到L2P表中；将剩余数据以及对应的映射信息按照上述步骤依次写入到SLC闪存中；
数据搬移模块803，用于当SLC闪存满了之后，将多个SLC物理块中的所有数据根据绑定关系搬移到对应的TLC物理块中。
在一个实施例中，如图9所示，提供了一种基于固态硬盘的随机写性能提升装置800，该装置还包括解除绑定模块804，用于：
SSD固件解除所述多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系。
在一个实施例中，如图10所示，提供了一种基于固态硬盘的随机写性能提升装置800，该装置还包括数据读取模块805，用于：
当主机读取数据时，SSD固件读取映射信息，获得TLC物理块的物理地址；
判断多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系是否依然存在；
若绑定关系不存在，则直接根据L2P表的映射信息从TLC区域取数据。
在一个实施例中，数据读取模块805还用于：
若绑定关系存在，则根据绑定关系从SLC物理块中读取数据。
关于基于固态硬盘的随机写性能提升装置的具体限定可以参见上文中对于基于固态硬盘的随机写性能提升方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，其内部结构图可以如图11所示。该计算机设备包括通过装置总线连接的处理器、存储器以及网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作装置、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作装置和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于固态硬盘的随机写性能提升方法。
本领域技术人员可以理解，图11中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以上各个方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以上各个方法实施例中的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于固态硬盘的随机写性能提升方法，所述方法包括：
SSD固件分配并建立多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系；
主机数据写入SLC闪存中，所述数据写入的物理位置为所述多个SLC物理块中第一个SLC物理块的第一个SLC物理页；
根据所述绑定关系，将对应的TLC物理块的第一个物理页作为所述数据的物理地址信息更新到L2P表中；
将剩余数据以及对应的映射信息按照上述步骤依次写入到SLC闪存中；
当SLC闪存满了之后，将所述多个SLC物理块中的所有数据根据绑定关系搬移到对应的TLC物理块中；
所述方法还包括：当主机读取数据时，SSD固件读取映射信息，获得TLC物理块的物理地址；判断多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系是否依然存在；若绑定关系不存在，则直接根据L2P表的映射信息从TLC区域取数据；
在所述判断多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系是否依然存在的步骤之后：若绑定关系存在，则根据绑定关系从SLC物理块中读取数据。
2.根据权利要求1所述的基于固态硬盘的随机写性能提升方法，其特征在于，所述方法还包括：
SSD固件解除所述多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系。
3.一种基于固态硬盘的随机写性能提升装置，其特征在于，所述装置包括：
绑定模块，所述绑定模块用于SSD固件分配并建立多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系；
数据写入模块，所述数据写入模块用于主机数据写入SLC闪存中，所述数据写入的物理位置为所述多个SLC物理块中第一个SLC物理块的第一个SLC物理页；根据所述绑定关系，将对应的TLC物理块的第一个物理页作为所述数据的物理地址信息更新到L2P表中；将剩余数据以及对应的映射信息按照上述步骤依次写入到SLC闪存中；
数据搬移模块，所述数据搬移模块用于当SLC闪存满了之后，将所述多个SLC物理块中的所有数据根据绑定关系搬移到对应的TLC物理块中；
所述装置还包括数据读取模块，所述数据读取模块用于：当主机读取数据时，SSD固件读取映射信息，获得TLC物理块的物理地址；判断多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系是否依然存在；若绑定关系不存在，则直接根据L2P表的映射信息从TLC区域取数据；
所述数据读取模块还用于：若绑定关系存在，则根据绑定关系从SLC物理块中读取数据。
4.根据权利要求3所述的基于固态硬盘的随机写性能提升装置，其特征在于，所述装置还包括解除绑定模块，所述解除绑定模块用于：
SSD固件解除所述多个SLC物理块与单个TLC物理块的绑定关系。
5.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1或2所述方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1或2所述的方法的步骤。
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