CN112114747A - 一种SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法，本方法为每个LUN分配一个定时器，充分利用LUN的并行性，并且将每个LUN的刷新操作均匀分布在Trefresh时间内，避免了集中刷新带来的明显性能下降，同时设计刷新等待功能，减少读性能的波动。另外，引入block read bitmap将刷新操作与SSD正常读取操作结合起来，进一步减少刷新操作的次数，提升整体QoS。

Description

一种SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法
技术领域
本发明涉及一种SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法，属于NAND Flash读取技术领域。
背景技术
NAND Flash作为存储介质广泛应用于SSD之中，如今主流SSD使用的NAND Flash多数为3D结构的TLC。NAND Flash尤其是3D TLC存在一种特性：一段较长时间不读取NANDFlash后第一次读取时数据错误位较多，后续的读取错误位数明显减少。这个特性就可能导致第一次读取的数据超过ECC纠错能力或者影响性能。针对这一特性，就需要增加“读刷新”操作来规避。
NAND Flash的“读刷新”操作可能有多种形式，比如pSLC read刷新、page read刷新、refresh command刷新等。然而归根结底都是在读取当前Block之前内部先有一次读取操作。
虽然该特性的前提是一段较长时间不读取，但是由于SSD中的包含成千上万个block，很难将每个block的两次读间隔时间都记录下来，故一般的做法是不停的进行“读刷新”。但是这会对SSD读性能，尤其是QoS产生消极影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法，既降低第一次读取数据的错误位数，又降低读刷新操作对性能产生的影响，从而提升SSD整体读操作的稳定性。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法，本方法将读刷新操作平滑分配到固定时间内，同时对每个block的读状态进行记录，通过记录的状态控制读刷新操作。
进一步的，读刷新操作平滑分配到固定时间内的实现方式为：以LUN为单位定义一个定时器TimerLUN，它的触发间隔为Trefresh_step，TimerLUN每次触发都会对当前LUN产生一次读刷新操作。
进一步的，Trefresh_step = Trefresh / MAXblock，其中，Trefresh 表示对一个block的读刷新时间间隔，MAXblock表示1个LUN上block的数量。
进一步的，当TimerLUN被触发时，通过当前LUN排队的NAND Flash read数量判断当前LUN是否处在密集读情况下，如果是，读刷新被暂时中止，并设置一个新的定时器Timerdelay用于当前LUN的刷新等待，刷新等待的时间间隔Tdelay设置为Trefresh_step的一个分数，即Tdelay = Trefresh_step / n，n=2,3…；当Timerdelay被触发时，继续判断当前是否仍处在密集读状态，如果仍然是，继续设置定时器Timerdelay并等待其触发；Timerdelay的设置次数必须小于n-1次，如果当前LUN一直处在密集读状态，那么第n-1次Timerdelay触发时强制执行当前Block读刷新，一旦强制执行了读刷新，记录Timerdelay被设置的次数m，然后在当前LUN不是密集读状态时将Trefresh_step更新为原来的1/m，该值记做Trefresh_step_new，直至完成m次读刷新后将Trefresh_step恢复原值，在完成m次操作之前，刷新等待功能被禁止。
进一步的，在SSD的DRAM中保存一份block read bitmap，其中每个bit对应一个block，SSD运行过程中，如果该block的任何一个page被读取，那么对应的bit置1；TimerLUN触发时对应的bit置0；当TimerLUN被触发时先检查block read bitmap中对应bit是否为0，如果是则执行读刷新；如果不是则bit置0，不执行读刷新。
本发明的有益效果：本发明为每个LUN分配一个定时器，充分利用LUN的并行性，并且将每个LUN的刷新操作均匀分布在Trefresh时间内，避免了集中刷新带来的明显性能下降，同时设计刷新等待功能，减少读性能的波动。另外，引入block read bitmap将刷新操作与SSD正常读取操作结合起来，进一步减少刷新操作的次数，提升整体QoS。
附图说明
图1为定时器初始化的流程图；
图2为读刷新流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例公开一种SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法。为了详细描述方案，本实施例使用pSLC read作为读刷新的方式进行描述，并且假设对一个block的读刷新时间间隔为Trefresh。假设1个LUN上最大block数量为2048，表示为MAXblock。
首先，以LUN为单位定义一个定时器TimerLUN，它的触发间隔为Trefresh_step，TimerLUN每次触发都会对当前LUN产生一次“读刷新”操作，每次刷新的block依次为block 0,1,2…2046,2047，完成一轮后block重新从0开始递增。
TimerLUN的触发间隔Trefresh_step根据（1）计算：
Trefresh_step = Trefresh / MAXblock （1），
Trefresh_step使LUN的所有读刷新得以均匀的分布在Trefresh中，避免了集中处理的长时间的等待。
由于TimerLUN配置完成后自动执行，然而当前LUN可能正处在密集读情况下，此时频繁执行读刷新会导致SSD读性能波动，所以当TimerLUN被触发时，需要进行针对性的处理，避免影响数据的读取。
密集读可以根据当前LUN排队的NAND Flash read数量判断，定义阈值为RCU（ReadCounts Number）。当TimerLUN被触发时，假如当前LUN正处在密集读状态下，读刷新会被暂时终止，并设置一个新的定时器Timerdelay用于当前LUN的刷新等待，它的时间间隔Tdelay设置为Trefresh_step的一个分数。
Tdelay = Trefresh_step / n (n=2,3…) （2），
当Timerdelay被触发时，继续判断当前是否仍处在密集读状态，如果仍然是，那么会继续设置定时器Timerdelay并等待其触发，但是Timerdelay的设置次数必须小于n-1次。如果当前LUN一直处在密集读状态，那么第n-1次Timerdelay触发时会强制执行当前Block读刷新。一旦强制执行了读刷新，需要记录Timerdelay被设置的次数m，然后在当前LUN不是密集读状态时将Trefresh_step更新为原来的1/m（m分之一）记做Trefresh_step_new，直至完成m次读刷新后将Trefresh_step恢复为公式（1）得到的值。在完成m次操作之前，刷新等待功能会被禁止。
另外，TimerLUN被触发时，即使不在密集读状态，读刷新也不会马上执行。在SSD的DRAM中会保存一份block read bitmap，其中每个bit对应一个block，SSD运行过程中，如果该block的任何一个page被读取，那么对应的bit置1；TimerLUN触发时对应的bit置0。
当TimerLUN被触发时先检查block read bitmap中对应bit是否为0，如果是则执行读刷新；如果不是则bit置0，不执行读刷新。这么做的目的是进一步降低“读刷新”的触发概率，提升QoS。
如图1所示，定时器初始化过程发生在SSD初始化过程中，主要步骤如下：
1.获取SSD所有LUN的数量，以及每个LUN的最大有效Block数量，将当前LUN设置为0，执行步骤2；
2.选中当前LUN并针对这个LUN设置一个定时器，定时器时间间隔为Trefresh_step，设置定时器触发时对应的Block编号为0，执行步骤3；
3.开启当前LUN的“刷新等待功能”，执行步骤4；
4.判断当前LUN是否是最后一个LUN，如果是则结束；如果不是则把当前LUN加一，执行步骤2。
如图2所示，读刷新在SSD工作周期中一直被执行，流程主要步骤如下：
1.等待定时器被触发，触发时执行步骤2；
2.根据定时器得到需要刷新的LUN，并根据上一次配置得到需要刷新的Block，判断当前LUN是否在密集读状态，如果是执行步骤3，如果不是执行步骤7；
3.判断刷新等待功能是否被开启，如果是执行步骤4，如果不是执行步骤7；
4.定义定时器Timerdelay，设置间隔为Tdelay，记录当前设置Timerdelay的次数m，执行步骤5；
5.判断m是否小于n-1，如果是则执行步骤1，如果不是执行步骤6；
6.取消Timerdelay配置，关闭刷新等待功能，执行步骤7；
7.从DRAM中定位并获取对应bit的值，执行步骤8；
8.判断bit值是否为0，如果是则执行步骤9，如果不是则执行步骤10；
9.对当前Block执行刷新操作，执行步骤5；
10.将DRAM中的bit值更新为0，执行步骤11；
11.重新配置定时器触发时间间隔为Trefresh，并且设置触发时对应Block值为当前Block加一，执行步骤12；
12.判断m是否为0，如果是执行步骤13，如果不是执行步骤15；
13.将Trefresh_step修改为Trefresh_step_new，执行步骤14；
14.将m的值更新为m-1，执行步骤16；
15.重新开启当前LUN的刷新等待功能，执行步骤16；
16.判断Block值是否等于当前LUN的最大有效Block数量，如果是，则执行步骤17；如果不是，则执行步骤1；
17.设置Block值为0，执行步骤1。
本实施例所述方法为每个LUN分配一个定时器，充分利用LUN的并行性，并且将每个LUN的刷新操作均匀分布在Trefresh时间内，避免了集中刷新带来的明显性能下降，同时设计刷新等待功能，减少读性能的波动。另外，引入block read bitmap将刷新操作与SSD正常读取操作结合起来，进一步减少刷新操作的次数，提升整体QoS。
以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改机和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法，其特征在于：本方法将读刷新操作平滑分配到固定时间内，同时对每个block的读状态进行记录，通过记录的状态控制读刷新操作。
2.根据权利要求1所述的SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法，其特征在于：读刷新操作平滑分配到固定时间内的实现方式为：以LUN为单位定义一个定时器TimerLUN，它的触发间隔为Trefresh_step，TimerLUN每次触发都会对当前LUN产生一次读刷新操作。
3.根据权利要求2所述的SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法，其特征在于：Trefresh_step = Trefresh / MAXblock，其中，Trefresh 表示对一个block的读刷新时间间隔，MAXblock表示1个LUN上block的数量。
4.根据权利要求2所述的SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法，其特征在于：当TimerLUN被触发时，通过当前LUN排队的NAND Flash read数量判断当前LUN是否处在密集读情况下，如果是，读刷新被暂时中止，并设置一个新的定时器Timerdelay用于当前LUN的刷新等待，刷新等待的时间间隔Tdelay设置为Trefresh_step的一个分数，即Tdelay = Trefresh_step / n，n=2,3…；当Timerdelay被触发时，继续判断当前是否仍处在密集读状态，如果仍然是，继续设置定时器Timerdelay并等待其触发；Timerdelay的设置次数必须小于n-1次，如果当前LUN一直处在密集读状态，那么第n-1次Timerdelay触发时强制执行当前Block读刷新，一旦强制执行了读刷新，记录Timerdelay被设置的次数m，然后在当前LUN不是密集读状态时将Trefresh_step更新为原来的1/m，该值记做Trefresh_step_new，直至完成m次读刷新后将Trefresh_step恢复原值，在完成m次操作之前，刷新等待功能被禁止。
5.根据权利要求2所述的SSD中提升NAND Flash读稳定性的方法，其特征在于：在SSD的DRAM中保存一份block read bitmap，其中每个bit对应一个block，SSD运行过程中，如果该block的任何一个page被读取，那么对应的bit置1；TimerLUN触发时对应的bit置0；当TimerLUN被触发时先检查block read bitmap中对应bit是否为0，如果是则执行读刷新；如果不是则bit置0，不执行读刷新。
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