CN111143313A - 一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法 - Google Patents

一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及NAND Flash存储器数据读写领域，公开了一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法，该方法通过现有的混合映射算法的日志块的映射粒度调整为N倍的512B，并且N*512B能够被NAND Flash的页容量整除，同时根据NAND Flash存储器的页容量来构建多个缓存器，在写入数据时，先通过缓存器，在写入到NAND Flash存储器中，在读取时，先将数据导入缓存器中，在从缓存器中返回数据。本发明通过调整日志块的映射粒度能够实现读写性能的提升，其中N越小，对性能的改善越显著，但是随之而来的时映射表项的倍增，所以在实际应用当中，可以综合权衡性能和映射表项之间的关系，取一个合适的N值，达到性能优化的目的。

Description

一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法
技术领域
本发明涉及NAND Flash存储器数据读写领域，尤其涉及一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法。
背景技术
半导体行业的蓬勃发展，出现了高性能的存储器NAND Flash，NAND Flash存储器使用半导体作为存储介质，具有高速、低能耗和防震等优点，被广泛应用到U盘，SD卡等便携式存储设备和现在最流行的固态硬盘当中。虽然NAND Flash有着众多优点，但其本身也存在一些不足，其中最大的缺点是其擦除寿命有限，从最初的SLC型NAND Flash的10万次擦除寿命到MLC型NAND Flash的5000次擦除寿命再到最近TLC NAND Flash的1500次左右的擦除寿命，使得NAND Flash的应用依赖FTL算法，该类算法能够显著提升NAND Flash的使用寿命，混合映射算法是其中一种典型的算法代表，该算法将NAND Flash从逻辑上分为了日志块和数据块两类，日志块采用页映射方式，数据块采用块映射方式，映射方式如图1所示。其数据写入和读取数据的流程如下：当主机需要写入数据时，首先从日志块中分配一块空闲块写入数据，当该块写满后，将日志块转换成数据块，重新分配数据块以备后续写入流程；当主机需要读取数据时，先从日志块中查询是否有有效数据，若有则从日志块中读取数据，若无，则到数据块中寻找有效数据。NAND Flash还有个缺点就是读和写是以页为单位，擦除是以块为单位的，另外，NAND Flash不支持原文更新，只能采用异地更新策略。
图2是一款典型的NAND Flash逻辑结构图。该款NAND Flash是镁光公司的L85A型NANDflash，每个页有16384KB容量，每个块共有512个页，即16384KB*512＝8MB容量。单个页读取理论时间为115μs，单个页写入的理论时间为1600μs。
上述论述中阐述了基于混合映射算法中日志块的映射粒度为页，也即对日志块的操作是按照页的粒度进行的，每次读和写都是一整页的数据。但是由于历史原因，目前的操作系统对磁盘的操作粒度最小为512字节，也就说实际应用当中，操作系统访问磁盘的粒度小于一个NAND Flash的物理页，但是此时由于NAND Flash的特性限制，访问NAND Flash时依然是以一个物理的页为单位进行的。例如，当主机需要写入4笔512字节数据到指定地址ADDR1，ADDR2，ADDR3，ADDR4时，假定日志块中有足够多的空闲页能够满足写入需求，混合映射算法处理流程如下：
(1)将指定地址ADDR1按照16KB的粒度划分，计算得出目的地址LOG_ADDR1＝ADDR1/16KB；
(2)查找日志块中逻辑地址LOG_ADDR1对于的物理页地址PHY_ADDR1,写入第一笔512B数据到NAND Flash中，同时更新页映射表；
(3)重复步骤1，得出LOG_ADDR2,查找日志块中逻辑地址LOG_ADDR2对于的物理页地址PHY_ADDR2,写入第二笔512B数据到NAND Flash中，同时更新页映射表；
(4)重复步骤1，得出LOG_ADDR3,查找日志块中逻辑地址LOG_ADDR3对于的物理页地址PHY_ADDR3,写入第三笔512B数据到NAND Flash中，同时更新页映射表；
(5)重复步骤1，得出LOG_ADDR4,查找日志块中逻辑地址LOG_ADDR4对于的物理页地址PHY_ADDR4,写入第四笔512B数据到NAND Flash中，同时更新页映射表；
当主机需要从读取4笔512B的数据时，混合映射算法处理流程如下：
(1)将指定地址ADDR1按照16KB的粒度划分，计算得出目的地址LOG_ADDR1＝ADDR/16KB；
(2)查找日志块中逻辑地址LOG_ADDR1对于的物理页地址PHY_ADDR1,从NANDFlash的PHY_ADDR1处读取16KB数据，返回其中的512B数据；
(3)重复步骤1，得出LOG_ADDR2,查找日志块中逻辑地址LOG_ADDR2对于的物理页地址PHY_ADDR2,从NAND Flash的PHY_ADDR2处读取16KB数据，返回其中的512B数据。
(3)重复步骤1，得出LOG_ADDR3,查找日志块中逻辑地址LOG_ADDR3对于的物理页地址PHY_ADDR3,从NAND Flash的PHY_ADDR3处读取16KB数据，返回其中的512B数据。
(4)重复步骤1，得出LOG_ADDR4,查找日志块中逻辑地址LOG_ADDR4对于的物理页地址PHY_ADDR4,从NAND Flash的PHY_ADDR4处读取16KB数据，返回其中的512B数据。
上述日志块的映射方式如图3所示，从上述的描述可以看出，由于NAND Flash写读都是以页为单位，所以主机写512B时，其实写入的数据有16KB，需要消耗1600μs，这就写放大效应，浪费了31/32的性能。主机读取512B时，同样读取的数据有16KB，这就是读放大效应，需要消耗115μs，浪费了31/32的性能。该情况下写/读的放大系数都为16KB/512B＝32。写4笔512B性能为(4x512B)/(4x 1600μs)＝0.32MB/s，读4笔512B数据的性能为(4x512B)/(4x 115μs)＝4.45MB/s
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法，能够显著降低这种情况下的写/读的放大系数，提高读写的性能。
本发明采用的技术方案如下：一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法，包括：
S1：将混合映射算法的日志块映射粒度调整为N倍的512B；所述N为大于等于1的自然数；
S2：根据NAND Flash存储器的页容量X，构建相应个数的缓存器BUFFER；
S3：在写入数据时，先将每组数据存入对应的缓存器中，再将缓存器中的数据统一写入NAND Flash存储器；
S4：在读取数据时，读取NAND Flash存储器中的数据到缓存器中，查找每个缓存器，返回对应的数据。
进一步的，所述N倍512B能够被NAND Flash存储器的页容量X整除。
进一步的，所述NAND Flash存储器的页容量X为大于等于N倍的512B。
进一步的，所述步骤S3具体包括：
S31：当NAND Flash存储器的主机写入数据时，根据NAND Flash存储器的页容量X的大小，构建M个N*512B的缓存器BUFFER，且每个缓存器的容量相同；所述
Figure BDA0002336385180000031
S32：将指定地址ADDR按照
Figure BDA0002336385180000032
的粒度划分，计算得出目的地址
Figure BDA0002336385180000033
S33：将每组数据更新到对应的缓存器BUFFER中，并更新相应的页映射表；
S34：在M个缓存器BUFFER均被更新后，将每个缓存器BUFFER中的数据都写入到NANDFlash存储器中。
进一步的，所述步骤S4具体包括：
S41：当NAND Flash存储器的主机读取数据时，根据NAND Flash存储器的页容量X的大小，构建M个N*512B的缓存器BUFFER，且每个缓存器的容量相同；所述
Figure BDA0002336385180000034
S42：将指定地址ADDR按照
Figure BDA0002336385180000035
的粒度划分，计算得出目的地址
Figure BDA0002336385180000036
S43：查找日志块中逻辑地址LOG_ADDR对应的物理页地址PHY_ADDR,读取物理页地址PHY_ADDR对应的NAND Flash存储器的上的数据到M个缓存器BUFFER中；
S44：依次查找每个缓存器BUFFER，返回每个缓存器BUFFER中缓存的数据。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：通过调整日志块的映射粒度能够实现读写性能的提升，其中N越小，对性能的改善越显著，但是随之而来的时映射表项的倍增，所以在实际应用当中，可以综合权衡性能和映射表项之间的关系，取一个合适的N值，达到性能优化的目的。
附图说明
图1是基于混合映射的映射表示意图。
图2是NAND Flash结构示意图。
图3是混合映射日志块映射表示意图。
图4是本发明方法改进后混合映射日志块映射表示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
在本发明中设计了一种方法，调整了混合日志块的映射方式，将混合映射算法的日志块映射粒度调整为N倍的512B，其中N*512B能够被NAND Flash的页容量整除，以镁光公司的L85A举例，N可以取1、2、4、8、16、32，当N取32时，即为通常的混合映射。以N为8举例来，当N为8时，日志块的映射粒度为8x 512B＝4KB，L85A的页容量为16KB，则构建4个容量相同的缓存器BUFFER，其映射关系如图4所示：
当主机需要写入4笔512B数据时，改进后的混合映射算法处理流程如下：
(1)构建4个4KB的缓存，分别为BUFFER1，BUFFER2，BUFFER3，BUFFER4；
(2)将指定地址ADDR按照4KB的粒度划分，计算得出目的地址LOG_ADDR1＝ADDR/4KB；
(3)将第一笔512B数据更新到缓存BUFFER1当中，并更新改进后的页映射表；
(4)重复步骤2，得出LOG_ADDR2,将第二笔512B数据更新到缓存BUFFER2当中，并更新改进后的页映射表；
(5)重复步骤2，得出LOG_ADDR3,将第三笔512B数据更新到缓存BUFFER3当中，并更新改进后的页映射表；
(6)重复步骤2，得出LOG_ADDR4,将第四笔512B数据更新到缓存BUFFER4当中，并更新改进后的页映射表；
(7)4个缓存均被更新，则说明已经准备好了16KB的数据，将BUFFER1、BUFFER2、BUFFER3以及BUFFER4的数据写入到NAND Flash当中。
当主机需要读取4笔512B数据时，改进后的混合映射算法处理流程如下：
(1)构建4个4KB的缓存，分别为BUFFER1，BUFFER2，BUFFER3，BUFFER4；
(2)将指定地址ADDR按照4KB的粒度划分，计算得出目的地址LOG_ADDR1＝ADDR/4KB；
(3)查找日志块中逻辑地址LOG_ADDR1对应的物理页地址PHY_ADDR1,读取NANDFlash存储器中的16KB数据到4个缓存中
(4)查找BUFFER1，返回512B数据；
(5)查找BUFFER2，返回512B数据；
(6)查找BUFFER3，返回512B数据；
(7)查找BUFFER4，返回512B数据。
从上述过程看出，改进后的算法对于主机的4笔512B数据写入和读取只有一次的写入和读取的操作，降低了写/读放大系数，提高了单笔IO操作的效率，提升了性能。
由上述示例可以看出，改进之后的算法在处理主机的4笔大小为512字节的IO时，实际写入的数据为16KB，写放大系数为16KB/(4x512B)＝8，实际读取的数据为16KB，读放大系数为16KB/(4x 512B)＝8。另外，该型号NAND Flash理论上单页读取的时间为115μs，单页写时间为1600μs，所以4笔读IO的消耗时间为115μs，读速率为17.8MB/s，4笔写IO的消耗时间为1600μs，写性能为1.28MB/s。而改进前的算法，4笔读IO需要进行4次读NAND Flash操作，消耗时间为4x 115μs＝460μs，性能为4.45MB/s，4笔写操作消耗时间为4x 1600＝6400，性能为0.32MB/s。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法，其特征在于，包括：
S1：将混合映射算法的日志块映射粒度调整为N倍的512B；所述N为大于等于1的自然数；
S2：根据NAND Flash存储器的页容量X，构建相应个数的缓存器BUFFER；
S3：在写入数据时，先将每组数据存入对应的缓存器中，再将缓存器中的数据统一写入NAND Flash存储器；
S4：在读取数据时，读取NAND Flash存储器中的数据到缓存器中，查找每个缓存器，返回对应的数据。
2.根据权利要求1所述的一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法，其特征在于，所述N倍512B能够被NAND Flash存储器的页容量X整除。
3.根据权利要求1所述的一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法，其特征在于，所述NAND Flash存储器的页容量X为大于等于N倍的512B。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31：当NAND Flash存储器的主机写入数据时，根据NAND Flash存储器的页容量X的大小，构建M个N*512B的缓存器BUFFER，且每个缓存器的容量相同；所述
Figure FDA0002336385170000011
S32：将指定地址ADDR按照
Figure FDA0002336385170000012
的粒度划分，计算得出目的地址
Figure FDA0002336385170000013
S33：将每组数据更新到对应的缓存器BUFFER中，并更新相应的页映射表；
S34：在M个缓存器BUFFER均被更新后，将每个缓存器BUFFER中的数据都写入到NANDFlash存储器中。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种提高混合映射算法的日志块读写性能的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
S41：当NAND Flash存储器的主机读取数据时，根据NAND Flash存储器的页容量X的大小，构建M个N*512B的缓存器BUFFER，且每个缓存器的容量相同；所述
Figure FDA0002336385170000014
S42：将指定地址ADDR按照
Figure FDA0002336385170000015
的粒度划分，计算得出目的地址
Figure FDA0002336385170000016
S43：查找日志块中逻辑地址LOG_ADDR对应的物理页地址PHY_ADDR,读取物理页地址PHY_ADDR对应的NAND Flash存储器的上的数据到M个缓存器BUFFER中；
S44：依次查找每个缓存器BUFFER，返回每个缓存器BUFFER中缓存的数据。
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