CN111338982B - 一种大容量固态盘内地址映射方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大容量固态盘内地址映射方法，通过降低单个映射条目RAM开销的方法提高映射缓存命中率，以此提高大容量固态盘的性能。固态盘容量的急速增长，导致内置RAM不足以存储整个映射表，引发大量映射条目替换，降低系统的性能。不同于以往通过优化映射缓存算法提高缓存命中率的方法，本发明利用一种晶圆级均衡的数据布局，增加用户数据对应物理位置的相似性，以此减少单个映射条目需要的内存开销。在有限RAM空间下，提升映射缓存中可缓存的条目数目，有效减少由于映射缓存替换带来的写放大和读放大问题，极大提高了大容量固态盘性能。
Description
技术领域
本发明属于存储技术领域，具体涉及一种大容量固态盘内地址映射算法。
背景技术
相比于传统磁盘而言，基于NAND闪存的固态盘(下文简称固态盘)因为高性能，低能耗和高可靠性的优点，近些年占据了大量的存储份额。然而，NAND闪存具有写前擦除和不对称操作的特性，这些特性让固态盘无法直接替代传统磁盘。具体来说，NAND闪存在写前必须经历擦除操作，然而，擦除操作的延迟通常比编程操作高一个数量级。为了解决这个问题，异地更新(out-of-place update)技术被应用来提高系统性能。具体来说，当一个用户数据被更新时，不同于以往将用户数据所在的闪存块擦除之后再将用户数据更新到原本位置的方法，而是选择一个空闲的闪存页来存储当前的用户数据。为了索引用户数据在固态盘内的位置，必须建立从逻辑地址到物理地址的映射关系，这个技术被称为地址映射。
物理地址的构成与固态盘中闪存存储器的组织结构有关。如图1所示，固态盘是一个复杂的电子存储器件，内部装备有多级的并行结构。具体来说，固态盘内的存储器件包括通道-芯片-晶圆-分组等四个存储层次。为了充分利用固态盘的并行性，固态盘制造商通常将所有分组的同一偏移地址的闪存块组成超级块(superblock)进行闪存块的管理。同一个超级块内相同偏移地址的闪存页构成一个超级页。控制器分配一个超级页大小的RAM缓存请求数据，当这个数据缓存区被填充满而无法再缓存用户数据时，控制器一次性下发所有的用户数据到不同的并行单元，让闪存器件一次性编程(program)一个超级块大小的用户数据。而且来自于同一个超级块的闪存块可以并发的进行擦除，有效降低系统的擦除时间。而物理地址的构成包含了相应的地址域：通道地址域-芯片地址域-晶圆地址域-分组地址域-块地址域-闪存页地址域，如图2所示。
为了支持更快的地址映射，固态盘制造商通常采用盘内RAM存储热点映射条目。然而，随着闪存工业制程的发展以及3D堆叠技术的发展，固态盘的容量大幅增加(现在的固态盘容量可达100TB，以后更甚)。然而，由于可靠性、尺寸、价格以及可靠性的考虑，盘内RAM容量无法随着固态盘容量呈现等比例增长。因此固态盘内嵌的RAM无法缓存整个映射表。为了实现地址映射功能，控制器将整个映射表持久化到闪存中，只将部分热点映射条目缓存在RAM中。然而，在随机负载或者应用访问范围广泛时，会带来大量的映射条目的替换。对于替换的脏条目(相应的映射关系已经被修改的条目)，控制器会花费一次额外的闪存读和一次闪存写实现映射表持久化的完整性。
现有的工作旨在利用负载访问的访问特性(访问的时间局部性和空间局部性)优化映射缓存算法，在有限RAM条件下，缓存热点映射条目，增大映射管理的粒度或者预取映射缓存数据，从而提高缓存命中率，减少映射条目替换的次数，提高系统的性能。
发明内容
不同于现有方案中利用高效数据缓存方法提升缓存命中率，本发明设计了一种大容量固态盘内地址映射算法，通过一种晶圆级(die)数据均衡分布策略，增加用户数据对应在闪存中物理地址的相似性，进而无需记录相同的地址域的方法，减少单个映射条目的RAM开销(如图3所示)，从而在RAM资源有限的前提下，增加缓存映射的条目的数据，提高系统的缓存命中率，从而减少映射条目替换的次数，提升系统性能。采用的具体技术方案如下：
一种大容量固态盘内地址映射方法，包括以下步骤：
通过一种晶圆级数据均衡策略，让所有的用户数据分布在所有的晶圆上，每个用户数据都跨越了所有的晶圆，进而用户数据对应的逻辑地址不需要存储对应的通道地址域，芯片地址域和晶圆地址域；
通过利用精简的映射表查询用户数据，其过程在于：
(T1)查询映射表，获取用户数据对应的精简的物理地址“p-b-pg”(精简的物理地址格式：分组号-块号-页号)，转到(T2)；
(T2)并发读取所有的晶圆中p-b-pg的闪存页，并传输到控制器中，转到(T3)；
(T3)解析闪存页OOB数据，根据其中的拼接信息，获取对应的用户数据，读取操作完成；
通过数据重组器模块实现控制器内的超级页数据缓存内数据空间无损的重组；通过地址分配器将重组后的数据均衡地分布到所有的晶圆中；
空间无损的数据重组分为两步：数据均衡分块和分块数据重组；在数据均衡分块中，用户数据被均衡地分割成N_die份，其中N_die表示固态盘存储器中的晶圆的数量；在分块数据重组中，被切分的数据被重新组织，将来自于不同用户数据的数据分块重新组织成新的数据；一个超级页数据缓冲区的空间无损重组，其步骤包括：
(S1)将超级页数据缓存区分成plane_die个组，每个组包含N_die个页数据缓存区，并将每个页数据缓存区均匀分成N_die段，其中plane_die表示每个晶圆(die)中分组(plane)数目，N_die表示固态盘内晶圆的数目；
(S2)判断所有的页数据缓存区组是否满，如果否，使用下一个空闲的页数据缓存区分组，转到(S3)，否则转到(S6)；
(S3)判断当前填充的页数据缓存区组是否满，如果否，转到(S4)，否则将当前页数据缓存区组中所有的页数据缓存区的数据按照用户数据到达顺序命名并记录当前页数据缓存区组中的用户数据重组信息，转到(S2)；
(S4)获取一个用户数据(lpn)，并将其均衡分割成N_die份，每一份标记成lpn(i),(0≤i≤N_die)，转到(S5)；
(S5)遍历所有的lpn(i)，并将lpn(i)分配到当前页数据缓存区中第i个页缓存区中的首个空闲的段，(0≤i≤N_die)，转到(S3)；
(S6)空间无损的数据重组完成；
通过地址分配策略，利用plane_die轮地址分配实现对超级页中用户数据的晶圆级地址分配；其步骤包括：
(W1)判断当前使用的超级块是否存在空闲空间，如果有转至(W2)；如果没有申请空间的超级块，然后转到(W3)；
(W2)获取空闲超级页的块号和页号，分别记作b和pg；
(W3)申请一个空闲超级块，并获取空闲超级页的块号和页号，设置当前可用页号为“0-0-0-0-b-pg”(物理地址格式：通道号-芯片号-晶圆号-分组号-块号-页号)；
(W4)判断超级页中所有的闪存页是否都被分配，如果是转到(W5)，否则，转到(W14)；
(W5)获取当前空闲闪存页号“c-ch-d-p-b-pg”，并将其分配给当前待写的用户数据lpn，转到(W6)；
(W6)建立从lpn到“p-b-pg”映射条目；
(W7)判断晶圆d是否为芯片ch中最后一个，如果是，转到(W10)；如果否，转到(W8)；
(W8)判断芯片ch是否是通道c中最后一个芯片,如果是，则转到(W11)，否则转到(W9)；
(W9)判断通道c是否是盘内最后的一个通道，如果是转到(W12)，否则转到(W13)；
(W10)当前空闲页号设置为“c-ch-(d+1)-p-b-pg”，转到(W4)；
(W11)当前空闲页号设置为“c-(ch+1)-0-p-b-pg”，转到(W4)；
(W12)当前空闲页号设置为“0-0-0-(p+1)-b-pg”，转到(W4)；
(W13)当前空闲页号设置为“(c+1)-0-0-p-b-pg”，转到(W4)；
(W14)地址分配完成，将超级页中的拼接信息作为附加信息一起伴随着用户数据一起下发，并存储在闪存页中的备用空间中，转到(W15)；
(W15)当写请求完成时，更新映射表，地址分配策略完成。
如图2所示，本发明旨在实现一种晶圆级数据均衡策略，让所有的用户数据分布在所有的晶圆上。此时，每个用户数据都跨越了所有的晶圆，进而用户数据对应的逻辑地址不需要存储对应的通道地址域，芯片地址域和晶圆地址域。从而降低映射条目对应的RAM开销。从传统的LPN(4Byte)-PPN(4Byte)到LPN(4Byte)-精简PPN(3Byte)，单个映射条目所需要的RAM开销从8Byte降低到7Byte,缩减了12.5％。在相同的内嵌RAM下，缓存的映射条目数目增加到8/7，从而增加缓存命中率，提升系统的性能。
一个利用精简的映射表查询用户数据的方法，其过程在于：
(T1)查询映射表，获取用户数据对应的精简的物理地址“p-b-pg”(精简的物理地址格式：分组号-块号-页号)，转到(T2)；
(T2)并发读取所有的晶圆中p-b-pg的闪存页，并传输到控制器中，转到(T3)；
(T3)解析闪存页OOB数据，根据其中的拼接信息，获取对应的用户数据，读取操作完成。
为了实现晶圆级均衡的数据均衡策略，本发明设计了两个新兴的功能模块：数据重组器和地址分配器。数据重组器实现了控制器内的超级页数据缓存内数据空间无损的重组。地址分配器将重组后的数据均衡地分布到所有的晶圆中。
空间无损的数据重组分为两步：数据均衡分块和分块数据重组。在数据均衡分块中，用户数据被均衡地分割成N_die份，其中N_die表示固态盘存储器中的晶圆的数量。在分块数据重组中，被切分的数据被重新组织，将来自于不同用户数据的数据分块重新组织成新的数据。一个超级页数据缓冲区的空间无损重组，其步骤包括：
(S1)将超级页数据缓存区分成plane_die个组，每个组包含N_die个页数据缓存区，并将每个页数据缓存区均匀分成N_die段，其中plane_die表示每个晶圆(die)中分组(plane)数目，N_die表示固态盘内晶圆的数目；
(S2)判断所有的页数据缓存区组是否满，如果否，使用下一个空闲的页数据缓存区分组，转到(S3)，否则转到(S6)；
(S3)判断当前填充的页数据缓存区组是否满，如果否，转到(S4)，否则将当前页数据缓存区组中所有的页数据缓存区的数据按照用户数据到达顺序命名并记录当前页数据缓存区组中的用户数据重组信息，转到(S2)；
(S4)获取一个用户数据(lpn)，并将其均衡分割成N_die份，每一份标记成lpn(i),(0≤i≤N_die)，转到(S5)；
(S5)遍历所有的lpn(i)，并将lpn(i)分配到当前页数据缓存区中第i个页缓存区中的首个空闲的段，(0≤i≤N_die)，转到(S3)。
(S6)空间无损的数据重组完成。
为了最终实现晶圆级均衡地数据布局，本发明采用了新颖的地址分配策略。对于一个超级页而言，连续的“相邻”两个闪存页来自于同一个晶圆。不同于传统的地址分配策略，只有当来自于同一个晶圆中所有的闪存页都被分配完之后，来自于下一个晶圆的闪存页才能被分配。本发明使用的地址分配策略，利用plane_die轮地址分配实现对超级页中用户数据的晶圆级地址分配。其步骤包括：
(W1)判断当前使用的超级块是否存在空闲空间，如果有转至(W2)；如果没有申请空间的超级块，然后转到(W3)；
(W2)获取空闲超级页的块号和页号，分别记作b和pg；
(W3)申请一个空闲超级块，并获取空闲超级页的块号和页号，设置当前可用页号为“0-0-0-0-b-pg”(物理地址格式：通道号-芯片号-晶圆号-分组号-块号-页号)；
(W4)判断超级页中所有的闪存页是否都被分配，如果是转到(W5)，否则，转到(W14)；
(W5)获取当前空闲闪存页号“c-ch-d-p-b-pg”，并将其分配给当前待写的用户数据lpn，转到(W6)；
(W6)建立从lpn到“p-b-pg”映射条目。
(W7)判断晶圆d是否为芯片ch中最后一个，如果是，转到(W10)；如果否，转到(W8)；
(W8)判断芯片ch是否是通道c中最后一个芯片,如果是，则转到(W11)，否则转到(W9)；
(W9)判断通道c是否是盘内最后的一个通道，如果是转到(W12)，否则转到(W13).
(W10)当前空闲页号设置为“c-ch-(d+1)-p-b-pg”，转到(W4)；
(W11)当前空闲页号设置为“c-(ch+1)-0-p-b-pg”，转到(W4)；
(W12)当前空闲页号设置为“0-0-0-(p+1)-b-pg”，转到(W4)；
(W13)当前空闲页号设置为“(c+1)-0-0-p-b-pg”，转到(W4)；
(W14)地址分配完成，将超级页中的拼接信息作为附加信息一起伴随着用户数据一起下发，并存储在闪存页中的备用空间中，转到(W15)；
(W15)当写请求完成时，更新映射表，地址分配策略完成。
附图说明
图1为NAND闪存固态盘系统示意图；
图2为固态盘内物理地址组织结构图；
图3为本发明实施例提供的大容量固态盘内地址映射方法示意图；
图4.1为本发明实施例中数据重组过程的示意图；
图4.2为本发明实施例中数据重组过程的流程图；
图5.1为本发明实施例中地址分配过程的示意图；
图5.2为本发明实施例中地址分配过程的流程图。
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。
为了实现晶圆级均衡的数据均衡策略，本发明设计了两个新兴的功能模块：数据重组器和地址分配器。数据重组器实现了控制器内的超级页数据缓存内数据空间无损的重组。地址分配器将重组后的数据均衡地分布到所有的晶圆中。
空间无损的数据重组分为两步：数据均衡分块和分块数据重组。在数据均衡分块中，用户数据被均衡地分割成N_die份，其中N_die表示固态盘存储器中的晶圆的数量。在分块数据重组中，被切分的数据被重新组织，将来自于不同用户数据的数据分块重新组织成新的数据。一个超级页数据缓冲区的空间无损重组，其步骤包括：
(S1)将超级页数据缓存区分成plane_die个组，每个组包含N_die个页数据缓存区，并将每个页数据缓存区均匀分成N_die段，其中plane_die表示每个晶圆(die)中分组(plane)数目，N_die表示固态盘内晶圆的数目；
(S2)判断所有的页数据缓存区组是否满，如果否，使用下一个空闲的页数据缓存区分组，转到(S3)，否则转到(S6)；
(S3)判断当前填充的页数据缓存区组是否满，如果否，转到(S4)，否则将当前页数据缓存区组中所有的页数据缓存区的数据按照用户数据到达顺序命名并记录当前页数据缓存区组中的用户数据重组信息，转到(S2)；
(S4)获取一个用户数据(lpn)，并将其均衡分割成N_die份，每一份标记成lpn(i),(0≤i≤N_die)，转到(S5)；
(S5)遍历所有的lpn(i)，并将lpn(i)分配到当前页数据缓存区中第i个页缓存区中的首个空闲的段，(0≤i≤N_die)，转到(S3)。
(S6)空间无损的数据重组完成。
为了最终实现晶圆级均衡地数据布局，本发明采用了新颖的地址分配策略。对于一个超级页而言，连续的“相邻”两个闪存页来自于同一个晶圆。不同于传统的地址分配策略，只有当来自于同一个晶圆中所有的闪存页都被分配完之后，来自于下一个晶圆的闪存页才能被分配。本发明使用的地址分配策略，利用plane_die轮地址分配实现对超级页中用户数据的晶圆级地址分配。其步骤包括：
(W1)判断当前使用的超级块是否存在空闲空间，如果有转至(W2)；如果没有申请空间的超级块，然后转到(W3)；
(W2)获取空闲超级页的块号和页号，分别记作b和pg；
(W3)申请一个空闲超级块，并获取空闲超级页的块号和页号，设置当前可用页号为“0-0-0-0-b-pg”(物理地址格式：通道号-芯片号-晶圆号-分组号-块号-页号)；
(W4)判断超级页中所有的闪存页是否都被分配，如果是转到(W5)，否则，转到(W14)；
(W5)获取当前空闲闪存页号“c-ch-d-p-b-pg”，并将其分配给当前待写的用户数据lpn，转到(W6)；
(W6).建立从lpn到“p-b-pg”映射条目；
(W7)判断晶圆d是否为芯片ch中最后一个，如果是，转到(W10)；如果否，转到(W8)；
(W8)判断芯片ch是否是通道c中最后一个芯片,如果是，则转到(W11)，否则转到(W9)；
(W9)判断通道c是否是盘内最后的一个通道，如果是转到(W12)，否则转到(W13)；
(W10)当前空闲页号设置为“c-ch-(d+1)-p-b-pg”，转到(W4)；
(W11)当前空闲页号设置为“c-(ch+1)-0-p-b-pg”，转到(W4)；
(W12)当前空闲页号设置为“0-0-0-(p+1)-b-pg”，转到(W4)；
(W13)当前空闲页号设置为“(c+1)-0-0-p-b-pg”，转到(W4)；
(W14)地址分配完成，将超级页中的拼接信息作为附加信息一起伴随着用户数据一起下发，并存储在闪存页中的备用空间中，转到(W15)；
(W15)当写请求完成时，更新映射表，地址分配策略完成。
一个利用精简的映射表查询用户数据的方法，其过程在于：
(T1).查询映射表，获取用户数据对应的精简的物理地址“p-b-pg”(精简的物理地址格式：分组号-块号-页号)，转到(T2)；
(T2)并发读取所有的晶圆中p-b-pg的闪存页，并传输到控制器中，转到(T3)；
(T3)解析闪存页OOB数据，根据其中的拼接信息，获取对应的用户数据，读取操作完成。
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 (1)
1.一种大容量固态盘内地址映射方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过一种晶圆级数据均衡策略，让所有的用户数据分布在所有的晶圆上，每个用户数据都跨越了所有的晶圆，进而用户数据对应的逻辑地址不需要存储对应的通道地址域，芯片地址域和晶圆地址域；
通过利用精简的映射表查询用户数据，其过程在于：
(T1)查询映射表，获取用户数据对应的精简的物理地址“p-b-pg”精简的物理地址格式：分组号-块号-页号，转到(T2)；
(T2)并发读取所有的晶圆中p-b-pg的闪存页，并传输到控制器中，转到(T3)；
(T3)解析闪存页OOB数据，根据其中的拼接信息，获取对应的用户数据，读取操作完成；
通过数据重组器模块实现控制器内的超级页数据缓存内数据空间无损的重组；通过地址分配器将重组后的数据均衡地分布到所有的晶圆中；
空间无损的数据重组分为两步：数据均衡分块和分块数据重组；在数据均衡分块中，用户数据被均衡地分割成N_die份，其中N_die表示固态盘存储器中的晶圆的数量；在分块数据重组中，被切分的数据被重新组织，将来自于不同用户数据的数据分块重新组织成新的数据；一个超级页数据缓冲区的空间无损重组，其步骤包括：
(S1)将超级页数据缓存区分成plane_die个组，每个组包含N_die个页数据缓存区，并将每个页数据缓存区均匀分成N_die段，其中plane_die表示每个晶圆die中分组plane数目，N_die表示固态盘内晶圆的数目；
(S2)判断所有的页数据缓存区组是否满，如果否，使用下一个空闲的页数据缓存区分组，转到(S3)，否则转到(S6)；
(S3)判断当前填充的页数据缓存区组是否满，如果否，转到(S4)，否则将当前页数据缓存区组中所有的页数据缓存区的数据按照用户数据到达顺序命名并记录当前页数据缓存区组中的用户数据重组信息，转到(S2)；
(S4)获取一个用户数据lpn，并将其均衡分割成N_die份，每一份标记成lpn(i),(0≤i≤N_die)，转到(S5)；
(S5)遍历所有的lpn(i)，并将lpn(i)分配到当前页数据缓存区中第i个页缓存区中的首个空闲的段，(0≤i≤N_die)，转到(S3)；
(S6)空间无损的数据重组完成；
通过地址分配策略，利用plane_die轮地址分配实现对超级页中用户数据的晶圆级地址分配；其步骤包括：
(W1)判断当前使用的超级块是否存在空闲空间，如果有转至(W2)；如果没有申请空间的超级块，然后转到(W3)；
(W2)获取空闲超级页的块号和页号，分别记作b和pg；
(W3)申请一个空闲超级块，并获取空闲超级页的块号和页号，设置当前可用页号为“0-0-0-0-b-pg”物理地址格式：通道号-芯片号-晶圆号-分组号-块号-页号；
(W4)判断超级页中所有的闪存页是否都被分配，如果是转到(W5)，否则，转到(W14)；
(W5)获取当前空闲闪存页号“c-ch-d-p-b-pg”，并将其分配给当前待写的用户数据lpn，转到(W6)；
(W6)建立从lpn到p-b-pg映射条目；
(W7)判断晶圆d是否为芯片ch中最后一个，如果是，转到(W10)；如果否，转到(W8)；
(W8)判断芯片ch是否是通道c中最后一个芯片,如果是，则转到(W11)，否则转到(W9)；
(W9)判断通道c是否是盘内最后的一个通道，如果是转到(W12)，否则转到(W13)；
(W10)当前空闲页号设置为“c-ch-(d+1)-p-b-pg”，转到(W4)；
(W11)当前空闲页号设置为“c-(ch+1)-0-p-b-pg”，转到(W4)；
(W12)当前空闲页号设置为“0-0-0-(p+1)-b-pg”，转到(W4)；
(W13)当前空闲页号设置为“(c+1)-0-0-p-b-pg”，转到(W4)；
(W14)地址分配完成，将超级页中的拼接信息作为附加信息一起伴随着用户数据一起下发，并存储在闪存页中的备用空间中，转到(W15)；
(W15)当写请求完成时，更新映射表，地址分配策略完成。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| CN111338982A (zh) | 2020-06-26 |
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