CN111949212A - 基于自定义开放通道ssd的文件系统及文件管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于自定义开放通道SSD的文件系统及文件管理方法，所述文件系统包括映射文件和分别由一个或多个数据段构成的主文件；其中：所述映射文件存储于其中一个块中，且该映射文件包括块状态表以及多个文件记录；每一文件记录包括至少一个块地址，且构成所述文件记录所对应的主文件的数据段分别存储于所述至少一个块地址对应的块中；所述块状态表包括所述快闪存储器中每一个块的状态；所述映射文件在启动时写入到DRAM，且所述数据段在CPU执行指令过程中写入到所述DRAM。本发明可将常用文件快取到服务器中，并在整体更新时才以块为单位回写到快闪存储器的块中，避免小文件的频繁回写，延长自定义开放通道SSD的使用寿命。

Description

基于自定义开放通道SSD的文件系统及文件管理方法
技术领域
本发明涉及文件存储领域，更具体地说，涉及一种基于自定义开放通道SSD的文件系统及文件管理方法。
背景技术
文件系统是操作系统用于明确存储设备或分区上的文件的方法和数据结构，即在存储设备上组织文件的方法。从系统角度来看，文件系统是对文件存储设备的空间进行组织和分配，负责文件存储并对存入的文件进行保护和检索的系统。具体地说，它负责为用户建立文件，存入、读出、修改、转储文件，控制文件的存取，当用户不再使用时撤销文件等。
NAND闪存(Flash)是一种非易失性存储介质，其在断电后仍能保存数据。由于具有读取速度快、易于通过多通道并行扩展等优点，目前NAND闪存已广泛应用于数据存储领域。
然而，由于传统的文件系统主要针对磁盘等存储介质，对于以“块(Block)”为基本存储单元的NAND闪存，现有的文件系统已无法发挥NAND闪存的最大性能优势。
发明内容
本发明实施例要解决的技术问题在于，针对上述文件系统无法发挥NAND闪存最大性能的问题，提供一种基于自定义开放通道SSD的文件系统及文件管理方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种基于自定义开放通道SSD的文件系统，所述SSD包括快闪存储器，所述快闪存储器包括多个具有相同存储容量的块，且每一所述块具有唯一的块地址；所述文件系统包括映射文件和分别由一个或多个数据段构成的主文件；其中：
所述映射文件存储于其中一个块中，且该映射文件包括块状态表以及分别与多个主文件对应的文件记录；每一所述文件记录包括至少一个块地址，且构成所述文件记录所对应的主文件的数据段分别存储于所述至少一个块地址对应的块中；所述块状态表包括所述快闪存储器中每一个块的状态；
所述映射文件在所述文件系统启动时由DMA控制器写入到动态随机存取存储器，且所述数据段由所述DMA控制器在中央处理单元执行指令过程中写入到所述动态随机存取存储器。
优选地，所述文件系统基于多个快闪存储器；
每一所述文件记录的块地址包括快闪存储器标识号；所述映射文件中的块状态表包括所有快闪存储器中的每一个块的状态。
优选地，至少部分所述主文件的数据量小于所述块的存储容量，且分别与多个数据量之和小于所述块的存储容量的主文件所对应的多个文件记录包括相同的块地址。
优选地，每一所述块中存储的数据段包括第一标识和/或第二标识，所述第一标识包括所述数据段所属的主文件的下一数据段所在块的块地址或结束标记，所述第二标识包括所述数据段所属的主文件的前一数据段所在的块的块地址或起始标记。
优选地，所述文件系统还包括备份文件，所述备份文件的内容与所述映射文件的内容相同，且所述备份文件存储到一个独立于所述映射文件所在的块，所述备份文件在所述文件系统启动时由DMA控制器写入到动态随机存取存储器。
优选地，每一所述块中存储的数据段包括第三标识，所述第三标识包括所述备份文件所在的块的块地址以及映射文件所在的块的块地址。
本发明实施例还提供一种基于自定义开放通道SSD的文件管理方法，所述SSD包括快闪存储器，所述快闪存储器包括多个具有相同存储容量的块，且每一所述块具有唯一的块地址；所述方法包括：
在文件系统启动时，将存储于所述快闪存储器中的映射文件写入到动态随机存取存储器；所述映射文件包括块状态表以及分别与多个主文件对应的文件记录，每一所述文件记录包括至少一个块地址，且构成所述文件记录对应的主文件的数据段分别存储于所述至少一个块地址对应的块中；所述块状态表包括所述快闪存储器中每一个块的状态；
从所述文件记录中的块地址对应的块获取中央处理单元所需的数据段，并将所述数据段写入到所述动态随机存取存储器。
优选地，所述文件管理方法基于多个快闪存储器；
每一所述文件记录的块地址包括快闪存储器标识号；所述映射文件中的块状态表包括所有快闪存储器中的每一块的状态。
优选地，至少部分所述主文件的数据量小于所述块的存储容量，且分别与多个数据量之和小于所述块的存储容量的主文件所对应的多个文件记录包括相同的块地址。
优选地，每一所述块中存储的数据段包括第一标识和第二标识，所述第一标识包括所述数据段所属的文件的下一数据段所在的块的块地址或结束标记，所述第二标识包括所述数据段所属的文件的前一数据段所在的块的块地址或结束标记；所述方法还包括：
在所述映射文件失效时，根据任一所述块中存储的数据段的第一标识，依次读取所述数据段之后的所有数据段；
在所述映射文件失效时，根据任一所述块中存储的数据段的第二标识，依次读取所述数据段之前的所有数据段。
本发明的基于自定义开放通道SSD的文件系统及文件管理方法，通过在映射文件中设置文件记录以及块状态表，并由主机端对快闪存储器的块进行维护操作，可将常用文件快取到主机端，并在整体更新时才以块为单位回写到快闪存储器的块中，避免小文件的频繁回写，延长自定义开放通道SSD的使用寿命。并且，本发明实施例还可实现跨快闪存储器的数据存取，从而提高单个文件的容量。此外，本发明实施例还可在块中增加相应的标识，提高了快闪存储器的数据恢复能力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于自定义开放通道SSD的文件系统在快闪存储器上的存储结构的示意图；
图2是本发明实施例提供的基于自定义开放通道SSD的文件系统中文件记录的示意图；
图3是本发明另一实施例提供的基于自定义开放通道SSD的文件系统在快闪存储器上的存储结构的示意图；
图4是本发明实施例提供的基于自定义开放通道SSD的文件管理方法的流程示意图。
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。
如图1所示，是本发明实施例提供的基于自定义开放通道(Open Channel)SSD(Solid State Disk，固态硬盘)的文件系统的存储结构的示意图，上述SSD包括快闪存储器。本实施例中的快闪存储器可为包含于SSD的NAND闪存，且该快闪存储器包括多个具有相同存储容量的块(根据不同厂家的规格，块的容量可以为16MB、32MB等)，且每一块具有唯一的块地址。上述固态硬盘的控制器可响应来自上位机(例如DMA控制器、中央处理单元等)的命令，从快闪存储器的块中读取数据、将数据写入到块中或者将块中的数据擦除，并且控制器以块为最小单位进行操作，例如需整个块的所有数据需一次读取、整个块的数据需一次擦除等。
本实施例中的文件系统可集成到计算机的BIOS中，并在计算机系统启动时载入到计算机系统的DRAM(动态随机存取存储器，Dynamic Random Access Memory)。本实施例的文件系统包括映射文件和主文件，每一主文件由一个或多个数据段构成。上述映射文件存储于快闪存储器的块10中，主文件则分别存储于快闪存储器的块11中，为便于载入到计算机系统的DRAM，上述块10可为快闪存储器中位于第一物理位置的块(好块)，或者物理位置较为靠前的块。并且映射文件包括有一个映射文件标签，从而在计算机系统启动时，便于快闪存储器的控制器快速找到映射文件所在的块，并将映射文件载入到计算机系统的DRAM。在计算机系统运行过程中，中央处理单元可对动态随机存取存储器中的映射文件中的数据进行读、写、增、删等操作，并且，根据计算机系统的操作系统的指令，DMA控制器可定时将动态随机存取存储器中的映射文件写回到快闪存储器。
上述映射文件包括块状态表以及分别与多个主文件对应的文件记录，即文件记录和块状态表存储与同一个块中，并同时在计算机系统启动时载入到DRAM。上述块10中的映射文件在文件系统(即计算机系统)启动时由DMA控制器写入(即搬移)到动态随机存取存储器，而块11中的数据段则由DMA控制器在中央处理单元执行指令过程中(例如中央处理单元需要对该数据段或主文件进行相应的操作时)写入到动态随机存取存储器。
结合图2所示，每一文件记录包括摘要数据(例如对应主文件的文件名称、逻辑存储位置、文件大小、文件类型等，上述逻辑存储位置包括目录及子目录等)至少一个块地址(若主文件的数据量小于一个块的存储容量，则文件记录仅包括一个块地址，例如，图1和2中的文件记录包括三个块地址，相应的主文件存储于三个不同的块中)，且构成文件记录所对应的主文件的数据段分别存储于至少一个块地址对应的块11中。具体地，为便于主文件的读取，上述文件记录可采用链表或队列形式存储，且链表或队列中块地址的顺序即代表了数据段在主文件中的顺序。
块状态表包括快闪存储器中每一个块的状态，即块状态表包括所有块的块地址以及每一块地址对应的状态。在本发明的一个实施例中，上述块状态可以为好或坏两个状态，例如状态为好用“1”表示，状态为坏用“0”表示，在进行数据存储时，可通过块状态表获取状态为好的块进行数据存储。
此外，上述块状态也可包括空、已占、坏三个状态，例如状态为空用“11”表示，状态为已占用“01”表示，状态为坏用“00”表示，在进行数据存储时，可通过块状态表获取状态为空的块进行数据存储，且在数据存储完毕，快闪存储器的控制器再修改块状态表中对应块的状态为已占。
上述基于自定义开放通道SSD的文件系统，通过在映射文件中设置文件记录以及块状态表，并由主机端对快闪存储器的块进行维护操作，从而可将常用文件快取到主机端，并在整体更新时才以块为单位回写到快闪存储器的块中，避免小文件的频繁回写，延长自定义开放通道SSD的使用寿命。
在本发明的一个实施例中，至少部分主文件的数据量小于快闪存储器的块的存储容量(该部分主文件由一个数据段构成)，且分别与多个数据量之和小于快闪存储器的块的存储容量的主文件所对应的多个文件记录包括相同的块地址，从而多个小文件(即多个数据量之和小于快闪存储器的块的存储容量的主文件)可存储到快闪存储器的同一块中。
如图3所示，是本发明另一实施例提供的基于自定义开放通道SSD的文件系统，本实施例的文件系统基于多个物理上独立的快闪存储器，每一快闪存储器包括多个具有相同存储容量的块(根据不同厂家的规格，块的容量可以为16MB、32MB等)，且每一块具有唯一的块地址。
本实施例的文件系统同样包括包括映射文件和主文件，每一主文件由一个或多个数据段构成，且映射文件存储于快闪存储器的一个独立的块中，主文件则分别存储于快闪存储器的其他块中，为便于载入到计算机系统的DRAM，上述映射文件可存储于处于第一物理位置的快闪存储器中的第一物理位置的块(好块)，或者物理位置较为靠前的块中。并且映射文件包括有一个映射文件标签，从而在计算机系统启动时，便于快闪存储器的控制器快速找到映射文件所在的块，并将映射文件载入到计算机系统的DRAM。
在本实施例中，每一文件记录中的块地址包括快闪存储器标识号以及在对应快闪存储器中的块地址相应地，映射文件中的块状态表包括所有快闪存储器中的每一个块的状态。通过上述方式，使得一个主文件可存储到多个不同快闪存储器的块中，提高了快闪存储器的利用率以及单个主文件支持的数据量。
作为本发明的一个可选的实施方案，上述文件系统的快闪存储器的每一块中存储的数据段包括第一标识，该第一标识包括当前数据段所属的主文件的下一数据段所在块的块地址或结束标记，即主文件的每一数据段指向同一主文件的下一数据段的存储位置。这样，在映射文件失效时，可通过上述第一标识快速恢复主文件，避免数据丢失。
类似地，上述文件系统的快闪存储器的每一块中存储的数据段包括第二标识，该第二标识包括数据段所属的主文件的前一数据段所在的块的块地址或起始标记，即主文件的每一数据段指向同一主文件的前一数据段的存储位置。通过上述方式，在映射文件失效时，可快速恢复主文件。
作为本发明的又一个可选的实施方案，上述文件系统除了包括映射文件和主文件外，还包括备份文件，该备份文件的内容与映射文件的内容相同，且该备份文件存储到一个独立于映射文件所在的块的块中，上述备份文件具有备份标识。通过备份文件，可在映射文件失效时，代替映射文件进行主文件的逻辑管理，提高数据恢复效率。
在本实施例中，上述备份文件可在计算机系统启动时，同样由DMA控制器写入到动态随机存取存储器。并且，在动态随机存取存储器中的映射文件被修改时，上述备份文件可同步修改。或者，备份文件也可在计算机系统关机时，由DMA控制器控制更新，而在计算机系统运行过程中则不更新。
可选地，快闪存储器的每一块中存储的数据段可包括第三标识，该第三标识包括备份文件所在的块的块地址以及映射文件所在的块的块地址。为避免映射文件和备份文件的存储块变化导致所有存储有数据段的块都需重写，可将映射文件和备份文件存储于相对固定的若干个块中，即映射文件和备份文件在更新时，分别存储到指定的若干个块(例如前10个物理位置的块)中的两个，并且第三标识包括所有指定的块的块地址，从而即使存储映射文件和备份文件的块发生变化，存储主文件的块也无需变化。
如图4所示，本发明实施例还提供一种基于自定义开放通道SSD的文件管理方法，上述SSD包括快闪存储器，且本实施例中的快闪存储器可为包含于固态硬盘(Solid StateDisk，SSD)的NAND闪存，且该快闪存储器包括多个具有相同存储容量的块(根据不同厂家的规格，块的容量可以为16MB、32MB等)，且每一块具有唯一的块地址。上述固态硬盘的控制器可响应来自上位机(例如DMA控制器、中央处理单元等)的命令，从快闪存储器的块中读取数据、将数据写入到块中或者将块中的数据擦除，并且控制器以块为最小单位进行操作。
本实施例的方法可由DMA控制器执行，且该方法包括：
步骤S41：在文件系统启动(即计算机系统启动)时，DMA控制器将存储于快闪存储器中的映射文件写入到DRAM(固态硬盘的控制器相应DMA控制器的指令，从快闪存储器中读取映射文件)。
上述映射文件包括块状态表以及分别与多个主文件对应的文件记录，每一文件记录包括至少一个块地址，且构成文件记录对应的主文件的数据段分别存储于上述至少一个块地址对应的块中；块状态表包括快闪存储器中每一个块的状态。
步骤S42：在计算机系统运行过程中，DMA控制器根据中央处理单元的指令，从DRAM中的映射文件的文件记录中的块地址获取对应的数据段，并将该数据段写入到DRAM。
上述块状态表中的块状态也可包括空、已占、坏三个状态，当DRAM中的数据段中的数据被修改时，DMA控制器从块状态表获取一个状态为空的块的块地址，并将被修改的数据段写入到块地址对应的块中，删除数据段原来所在的块中的数据，同时将映射文件中被修改的数据段对应的块地址替换为新的块的块地址，并修改块状态表。
在本发明的基于自定义开放通道SSD的文件管理方法的一个可选实施例中，上述文件管理方法基于多个快闪存储器，即主文件存储在多个快闪存储器中。相应地，每一文件记录的块地址包括快闪存储器标识号(即每一块地址包括快闪存储器号以及块号)；类似地，映射文件中的块状态表包括所有快闪存储器中的每一块的状态。
在本发明的文件管理方法的一个可选实施例中，为了在映射文件故障时快速恢复主文件，快闪存储器的每一块中存储的数据段包括第一标识，该第一标识包括数据段所属的文件的下一数据段所在的块的块地址或结束标记；此时，该文件管理方法还包括：
在映射文件失效时，根据任一块中存储的数据段的第一标识，依次读取数据段之后的所有数据段，从而重新建立主文件的逻辑顺序。
类似地，每一块中存储的数据段包括第二标识，该第二标识包括数据段所属的文件的前一数据段所在的块的块地址或结束标记；相应的方法还包括：
在映射文件失效时，根据任一块中存储的数据段的第二标识，依次读取数据段之前的所有数据段。
当数据段包括第一标识和第二标识时，当某一数据段发生变化时，为避免改写该数据段前后的数据段，可先将该数据段写入到一个新的块中，同时擦除原块中的数据，然后再将新块中的数据写回到原块，最后再擦除新块中的数据。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于自定义开放通道SSD的文件系统，所述SSD包括快闪存储器，所述快闪存储器包括多个具有相同存储容量的块，且每一所述块具有唯一的块地址；其特征在于，所述文件系统包括映射文件和分别由一个或多个数据段构成的主文件；其中：
所述映射文件存储于其中一个块中，且该映射文件包括块状态表以及分别与多个主文件对应的文件记录；每一所述文件记录包括至少一个块地址，且构成所述文件记录所对应的主文件的数据段分别存储于所述至少一个块地址对应的块中；所述块状态表包括所述快闪存储器中每一个块的状态；
所述映射文件在所述文件系统启动时由DMA控制器写入到动态随机存取存储器，且所述数据段由所述DMA控制器在中央处理单元执行指令过程中写入到所述动态随机存取存储器。
2.根据权利要求1所述的基于自定义开放通道SSD的文件系统，其特征在于，所述文件系统基于多个快闪存储器；
每一所述文件记录的块地址包括快闪存储器标识号；所述映射文件中的块状态表包括所有快闪存储器中的每一个块的状态。
3.根据权利要求1所述的基于自定义开放通道SSD的文件系统，其特征在于，至少部分所述主文件的数据量小于所述块的存储容量，且分别与多个数据量之和小于所述块的存储容量的主文件所对应的多个文件记录包括相同的块地址。
4.根据权利要求1或2所述的基于自定义开放通道SSD的文件系统，其特征在于，每一所述块中存储的数据段包括第一标识和/或第二标识，所述第一标识包括所述数据段所属的主文件的下一数据段所在块的块地址或结束标记，所述第二标识包括所述数据段所属的主文件的前一数据段所在的块的块地址或起始标记。
5.根据权利要求1所述的基于自定义开放通道SSD的文件系统，其特征在于，所述文件系统还包括备份文件，所述备份文件的内容与所述映射文件的内容相同，且所述备份文件存储到一个独立于所述映射文件所在的块，所述备份文件在所述文件系统启动时由DMA控制器写入到动态随机存取存储器。
6.根据权利要求5所述的基于自定义开放通道SSD的文件系统，其特征在于，每一所述块中存储的数据段包括第三标识，所述第三标识包括所述备份文件所在的块的块地址以及映射文件所在的块的块地址。
7.一种基于自定义开放通道SSD的文件管理方法，所述SSD包括快闪存储器，所述快闪存储器包括多个具有相同存储容量的块，且每一所述块具有唯一的块地址；其特征在于，所述方法包括：
在文件系统启动时，将存储于所述快闪存储器中的映射文件写入到动态随机存取存储器；所述映射文件包括块状态表以及分别与多个主文件对应的文件记录，每一所述文件记录包括至少一个块地址，且构成所述文件记录对应的主文件的数据段分别存储于所述至少一个块地址对应的块中；所述块状态表包括所述快闪存储器中每一个块的状态；
从所述文件记录中的块地址对应的块获取中央处理单元所需的数据段，并将所述数据段写入到所述动态随机存取存储器。
8.根据权利要求7所述的基于自定义开放通道SSD的文件管理方法，其特征在于，所述文件管理方法基于多个快闪存储器；
每一所述文件记录的块地址包括快闪存储器标识号；所述映射文件中的块状态表包括所有快闪存储器中的每一块的状态。
9.根据权利要求7或8所述的基于自定义开放通道SSD的文件管理方法，其特征在于，至少部分所述主文件的数据量小于所述块的存储容量，且分别与多个数据量之和小于所述块的存储容量的主文件所对应的多个文件记录包括相同的块地址。
10.根据权利要求7或8所述的基于自定义开放通道SSD的文件管理方法，其特征在于，每一所述块中存储的数据段包括第一标识和第二标识，所述第一标识包括所述数据段所属的文件的下一数据段所在的块的块地址或结束标记，所述第二标识包括所述数据段所属的文件的前一数据段所在的块的块地址或结束标记；所述方法还包括：
在所述映射文件失效时，根据任一所述块中存储的数据段的第一标识，依次读取所述数据段之后的所有数据段；
在所述映射文件失效时，根据任一所述块中存储的数据段的第二标识，依次读取所述数据段之前的所有数据段。
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