CN112559193A - 一种基于主机内存空间的区域信息表管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于主机内存空间的区域信息表管理方法，本方法通过引入主机内存使用技术，扩展了SSD的缓存空间，节省了SSD的布线面积和成本，有着明显的经济收益。其次本专利根据技术需要提供了整体的运行和上下电维护方法，保证设计具有可行性。与传统域命名空间固态硬盘相比，可以明显节省DDR使用，缩小硬件成本、盘的PCB面积与整盘功耗，保证了上下电过程的可靠性，对工程实践提供了一种可行的方法。

Description

一种基于主机内存空间的区域信息表管理方法
技术领域
本发明涉及一种SSD区域信息管理方法，具体是一种基于主机内存空间的区域信息表管理方法。
背景技术
固态硬盘(SSD)的存储组件采用Nand Flash，随着Nand flash的堆叠层数及单个cell可表示位数的增加，寿命也会不断降低。传统的SSD产品用户数据落盘顺序大概率是随机的，长时间运行就会有物理存储块(block)内的用户数据是无效的。为了回收物理块给新数据使用，就需要引入垃圾回收的策略。而垃圾回收过程中的数据搬移会造成用户数据写放大，增加了nand颗粒的擦写次数，天然减少使用寿命。为了优化上层文件系统与盘侧的重复垃圾回收算法、减少写入放大对寿命的影响，改善存储系统性能，一种基于区域命名空间技术(zoned namespace, ZNS) SSD成为一种新的技术趋势。ZNS SSD核心思想是通过文件系统与SSD的联动配合，将SSD部分闪存转换层(Flash Translation Layer，FTL)的功能交给上层系统执行，由主机(HOST)维护所写逻辑地址(LBA)数据的有效性，并保证所有LBA顺序写入每一个open zone中。当一个区域(zone)写满后，主机直接使用区域复位(zonereset)命令对其进行擦除，可以节省SSD本身的垃圾回收流程，从而降低了SSD的写入放大效应，减小整盘替换空间，提高了整盘的使用寿命和性能，压缩开发成本。
在ZNS SSD固件开发过程中，需要定义区域信息(zone info)结构体表来记录每一个zone的状态、写指针、属性等，以便管理和维护zone的使用。例如设计每个区域信息的大小为16字节，一个4T容量的SSD需要使用10000个zone，整个zone info table的大小就是150K字节的量级。传统的设计方法是将该信息存储在SSD的缓存中，并在上电或下电时进行恢复或者保存。但是随着SSD容量向8T、16T增加，会导致SSD缓存空间的增大。这不仅会占用更多的缓存空间，还会带来功耗和成本的增加。
发明内容
为了有效地解决上述问题、兼顾系统设计的硬件成本，本发明提出了一种基于主机内存空间(Host Memory Buffer, HMB)的区域信息表管理方法。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于主机内存空间的区域信息表管理方法，包括以下步骤：
S01）、配置SSD的主机内存空间功能，SSD向主机申请一块内存空间，设计一硬件逻辑单元以保证SSD的CPU可直接域信息存放到主机内存空间中，在不进行重启或者关机的情况下，本内存空间不被释放；
S02）、数据更新时，CPU可直接发起读、修改或写的请求；
S03）、在SSD下电的时候，将主机端保存的域信息表全部存到SSD的nor flash中，在SSD上电的时候，先想主机申请内存空间，然后在将保存于nor flash中的域信息表恢复到主机的内存空间中。
进一步的，所述硬件逻辑单元为互联模块，互联模块将CPU发出的本地访存地址转换成主机端地址，并将数据请求发送到SSD接口界面端口上，通过接口控制器(如PCIe)形成数据包传递到主机内存中。
进一步的，所述硬件逻辑单元为DMA单元，DMA单元将CPU发出的本地访存地址转换成主机端地址，并将数据请求发送到SSD接口界面所在总线桥上，将数据传递到接口，通过PCIe接口的数据包传递到主机内存中。进一步的，首次上电时，在SSD上电初始化流程中，CPU以域为单位将域信息表初始化为特定值，所述特定值用于表示所有的域处于空状态。
进一步的，非首次上电时，将保存在nor flash中的数据表读到SSD的读写缓存buffer中，再通过硬件逻辑单元搬移到主机分配好的内存中。
进一步的，SSD运行过程中，若域信息表的状态跟随数据读写发生改变，CPU通过硬件逻辑单元将本地最新的域信息传送到主机内存中。
进一步的，下电时，将正在使用的域空间关闭，并封存数据，将需要更新的域信息数据利用硬件逻辑单元更新到主机的内存中，然后将主机内存中所有的域信息通过DMA单元批量读到SSD内部的写缓存中，再存入nor flash的对应空间中。
进一步的，设置定期刷写，保证域信息表在nor flash中有旧版本备份，旧版本的更新采用如下策略：1、对应的zone发生了状态更新时，将对应的域信息刷写到nor flash中；2、当发生复位时，在复位处理流程里将数据全部回刷到nor flash中。
本发明的有益效果是：本发明通过引入主机内存使用技术，扩展了SSD的缓存空间，节省了SSD的布线面积和成本，有着明显的经济收益。其次本专利根据技术需要提供了整体的运行和上下电维护方法，保证设计具有可行性。与传统域命名空间固态硬盘相比，可以明显节省DDR使用，缩小硬件成本、盘的PCB面积与整盘功耗，保证了上下电过程的可靠性，对工程实践提供了一种可行的方法。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本方法正常运行及掉电时的流程图。
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
本实施例公开一种基于主机内存空间的区域信息表管理方法，包括域信息状态机流转维护、上下电管理的整体设计方法。ZNS SSD中lba域是固件管理的最小单元。域信息包含域状态(state)、写指针(write pointer, WP)、标识号(ID)等。这些zone信息都需要记录并进行管理。一个zone的大小由SSD厂商自行决定，将整块固态硬盘划分为N个zone，那么域信息表的大小即为16*N个字节。
如图1所示，本方法首先配置SSD的HMB功能，SSD向Host申请一块内存单元，设计一芯片硬件逻辑单元使得SSD的CPU可以直接将zone信息存放到Host内存单元中。在域信息数据需要更新时，CPU直接发起读-改-写的操作。在SSD下电的时候，需要将host端保存的域信息表全部保存到SPI nor flash中。在SSD上电的时候，先向主机申请HMB空间，然后再将保存于Flash内的信息表恢复到主机系统的内存空间中。这种域信息的管理控制方法，不仅可以充分利用主机多余的内存资源，节省SSD的内存消耗和功耗，降低整体的硬件设计成本，还可以获得动态的资源配置能力，扩展SSD的内存空间范围。
针对传输域信息表的大小，硬件逻辑单元有两种实现方式，当用于CPU小量数据传输，硬件逻辑单元采用互联模块，当用于上下电时的大批量数据传输，硬件逻辑单元采用DMA模块。
两种实现方式的工作过程分别为：互联模块将CPU发出的本地访存地址转换成主机端地址，并将数据请求发送到SSD接口界面端口上，通过接口控制器(如PCIe)形成数据包传递到主机内存中。
所述硬件逻辑单元为DMA单元，DMA单元将CPU发出的本地访存地址转换成主机端地址，并将数据请求发送到SSD接口界面所在总线桥上，将数据传递到接口，通过PCIe接口的数据包传递到主机内存中。进一步的，首次上电时，在SSD上电初始化流程中，CPU以域为单位将域信息表初始化为特定值，所述特定值用于表示所有的域处于空状态。
如图2所示，本实施例所述方法具体包括以下步骤：
A、根据nvme协议，在nvme identify字段中的HMPRE(Host Memory BufferPreferred Size)字段和HMMIN(Host Memory Buffer Minimum Size)字段，声明SSD需要Host分配的内存大小，分配的内存可以给SSD当ram buffer使用，简称Host Memory Buffer(HMB);
B、进一步，Host根据盘声明的size分配内存，并通过set feature将内存地址告知SSD；在不进行重启或者关机的情况下，该内存不会被释放；
C、为方便CPU在正常运行时可以直接读写主机内存地址，需要SSD主控芯片内部设计硬件逻辑单元，实现CPU快速更新域信息表（此时更新数据块会以zone为单位）；具体的是该硬件单元会将CPU发出的本地访存地址转换成主机端地址，并此数据请求发送到SSD接口界面所在总线桥上，将数据传递到接口模块控制器，通过接口控制器生成数据包传递到主机内存中。
D、如果是首次上电，则在SSD上电初始化流程中，CPU以域为单位将域信息表范围初始化为特定值，这些特定值能够表示所有的zone处于空状态
E、如果是非首次上电，则将保存在nor flash中的数据表读到SSD的读写缓存buffer中，再通过DMA单元大批量快速搬移到主机分配好的内存中，写入到主机内存中；
F、在SSD运行过程中，随着数据读写的发生，域信息表的状态会需要经常性修改，CPU可以通过硬件模块将本地最新的域信息传送到主机内存中；
G、下电时，首先需要将正在使用的域空间(还未关闭)进行关闭，并封存数据，将小部分需要更新的域信息数据利用硬件逻辑更新到主机的内存中，之后需要将主机内存里所有的域信息通过DMA大批量读到SSD内部的写缓存中，再存入flash的对应空间中。
H、考虑到使用过程中可能会出现异常掉电。本方案制定了定期刷写的方法，保证域信息表在flash中会有旧版本备份。此旧版本的更新采用如下策略：
1、在对应的zone发生了状态更新时需要将对应的域信息所在对应块刷写到norflash中。
2、当发生复位reset时，需要在reset处理流程里将数据全部回刷到nor flash中。
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进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于主机内存空间的区域信息表管理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01）、配置SSD的主机内存空间功能，SSD向主机申请一块内存空间，设计一硬件逻辑单元以保证SSD的CPU将域信息存放到主机内存空间中，在不进行重启或者关机的情况下，本内存空间不被释放；
S02）、数据更新时，SSD CPU直接发起读、修改或写的请求；
S03）、在SSD下电的时候，将主机端保存的域信息表全部存到SSD的nor flash中，在SSD上电的时候，先向主机申请内存空间，然后再将保存于nor flash中的域信息表恢复到主机的内存空间中。
2.根据权利要求1所述的基于主机内存空间的区域信息表管理方法，其特征在于：所述硬件逻辑单元为互联模块，互联模块将CPU发出的本地访存地址转换成主机端地址，并将数据请求发送到SSD接口界面端口上，通过接口控制器形成数据包传递到主机内存中。
3.根据权利要求1所述的基于主机内存空间的区域信息表管理方法，其特征在于：所述硬件逻辑单元为DMA单元，DMA单元将CPU发出的本地访存地址转换成主机端地址，并将数据请求发送到SSD接口界面所在总线桥上，将数据传递到接口，通过PCIe接口的数据包传递到主机内存中。
4.根据权利要求1所述的基于主机内存空间的区域信息表管理方法，其特征在于：首次上电时，在SSD上电初始化流程中，CPU以域为单位将域信息表初始化为特定值，所述特定值用于表示所有的域处于空状态。
5.根据权利要求1所述的基于主机内存空间的区域信息表管理方法，其特征在于：非首次上电时，将保存在nor flash中的数据表读到SSD的读写缓存buffer中，再通过DMA单元搬移到主机分配好的内存中。
6.根据权利要求1所述的基于主机内存空间的区域信息表管理方法，其特征在于：SSD运行过程中，若域信息表的状态跟随数据读写发生改变，CPU通过硬件逻辑单元将本地最新的域信息传送到主机内存中。
7.根据权利要求1所述的基于主机内存空间的区域信息表管理方法，其特征在于：下电时，将正在使用的域空间关闭，并封存数据，将需要更新的域信息数据利用硬件逻辑单元更新到主机的内存中，然后将主机内存中所有的域信息通过DMA单元批量读到SSD内部的写缓存中，再存入nor flash的对应空间中。
8.根据权利要求1所述的基于主机内存空间的区域信息表管理方法，其特征在于：设置定期刷写，保证域信息表在nor flash中有旧版本备份，旧版本的更新采用如下策略：1、对应的zone发生了状态更新时，将对应的域信息刷写到nor flash中；2、当发生复位时，在复位处理流程里将数据全部回刷到nor flash中。
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