CN113031866B - 一种应用于SSD的Trim管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种应用于SSD中的Trim管理方法，本方法将Trim管理分为前台和后台两个异步的操作过程，前台只处理少量需要Trim的LPAs，减少对SSD正常读写操作的影响，大部分需要Trim的LPAs转到后台分批处理，也是减少对计算资源的占用。同时通过设置BASE bitmap用于断电时的保存，相对于LPA bitmap其大小缩小了若干倍，这样可以提高断电保存的速度，避免了由于断电保存数据量过大导致保存失败的情况。综上所述，本发明有利于提高SSD的运行效率，增加SSD的安全性。

Description

一种应用于SSD的Trim管理方法
技术领域
本发明涉及非易失性存储介质的数据管理领域，尤其涉及应用于SSD的Trim管理方法。
背景技术
应用在计算机系统中的固态硬盘（Solid State Disk，SSD）需要具有相对较低的时延和较高的容量。SSD利用多通道、并行的方式读取和写入数据，提高了顺序读写的速度。SSD使用非易失性存储单元（NAND flash cells）存储数据，若非易失性存储单元已经被写入数据，必须擦除后才可以再写入数据，不能在原非易失性单元位置直接进行覆盖写的操作。SSD的写操作可以根据不同的映射粒度实现，但是其擦操作一般是以块（Block）为单位的。如果SSD对一个页（Page）进行覆盖写操作，需要把该页所在的块中的所有数据读取到缓冲区，然后擦除该数据块，将需要覆盖写的页写入缓冲区的块中，然后再将缓冲区中完成覆盖写操作的数据块重新写入已擦除的数据块中或者其他可用的数据块中。
Trim指令也叫Disable delete notify（禁用删除通知），属于ATA8-ACS2规范的技术指令，并与NVM（Non-Volatile Memory） Express Base Specification中DatasetManagement command的Deallocate属性一致。SSD长期使用由于待删除的无效数据增多会导致性能下降，而Trim则是提前将无效数据清空以保证SSD的读写速度不会随着使用时间的增加而下降太快。
Trim操作需要耗费一定的运行时间和内存空间来完成，所以会影响SSD正常的读写性能。而且Trim操作需要设置bitmap以表示逻辑映射单元是否需要Trim，发生断电时需要把bitmap以及其他相关信息保存到非易失性存储介质中以便于上电后重新建立映射表，所以bitmap以及其他相关信息的大小影响数据保存的效率。如何做到在尽量不影响SSD正常读写性能的情况下，提高数据保存的速度是Trim管理方法改进的一个方向。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应用于SSD的Trim管理方法，用于改善SSD中的Trim管理模块工作时对正常读写操作的影响，以及提高断电保存的速度。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种应用于SSD的Trim管理方法，包括以下步骤：
S01）、将SSD中所有的逻辑映射划分为N个base，N为正整数，并且
Figure 478218DEST_PATH_IMAGE001
，其中totallpas表示SSD中逻辑映射的总数量，baselpas表示一个base中包含的逻辑映射的数量；
S02）、设置两个bitmap，一个是对应SSD中所有逻辑映射的bitmap，另一个是对应所有base的bitmap，若bitmap某一位为1，说明该位置对应的逻辑映射或者base需要被Trim，下电保存时，只把base对应的bitmap保存到非易失性存储介质中；
S03）、设置Trim range用于存放未对齐的逻辑映射：
主机发出Trim命令时，SSD进行前台操作，所述前台操作是指接收并解析Trim命令，得到一个需要Trim的逻辑映射范围，包括起始逻辑映射和长度，根据需要Trim的逻辑映射范围将相应逻辑映射的bit置为1，然后根据起始逻辑映射和长度判断需要Trim的逻辑映射范围与其所在base是否对齐，如果对齐，更新需要Trim的逻辑映射范围对应的basebitmap，将对应位置的bit置为1；如果需要Trim的逻辑映射范围与其所在base未对齐，将未对齐的逻辑映射暂时记录到Trim range中，Trim range包含多组未对齐的逻辑映射，当Trim range中未对齐的逻辑映射的数量达到设定阈值后，对Trim range中的逻辑映射执行Trim操作；当Trim range中未对齐的逻辑映射的数量未达到设定阈值时，从前台操作转入后台操作，后台操作首先对Trim range中未对齐的逻辑映射执行Trim操作，然后通过basebitmap查找bit值1的base，对该base中的逻辑映射执行Trim操作。
进一步的，前台操作与后台操作异步进行。
进一步的，前台操作在接收到Trim命令后立即执行，后台操作在计算资源空闲时进行。
进一步的，后台操作对base中的逻辑映射执行Trim操作分多次进行，根据计算资源的占用情况设置每次执行Trim操作的base数量。
进一步的，所述Trim操作是指将逻辑映射对应的物理地址置为空，并且更新物理地址所在的物理块上的有效数据页数，然后将逻辑映射或者base的 bitmap的状态重置，就是将Trim操作逻辑映射或者base对应的bit置为0。
进一步的，根据起始逻辑映射与其所在base的起始逻辑映射是否一致以及末尾逻辑映射与其所在base的末尾逻辑映射是否一致判断是否对齐，末尾逻辑映射为起始逻辑映射加上长度。
进一步的，SSD控制器中设置Trim管理模块、前台Trim处理模块和后台Trim处理模块，前台操作在Trim管理模块和前台Trim处理模块中进行，后台操作在后台Trim处理模块中进行。
本发明的有益效果：本发明提出的一种应用于SSD的Trim管理方法，主要用于改善SSD中的Trim管理模块工作时对正常读写操作的影响，以及提高断电保存的速度。本发明将Trim管理分为前台和后台两个异步的操作过程，前台只处理少量需要Trim的LPAs，减少对SSD正常读写操作的影响，大部分需要Trim的LPAs转到后台分批处理，也是减少对计算资源的占用。同时通过设置BASE bitmap用于断电时的保存，相对于LPA bitmap其大小缩小了若干倍，这样可以提高断电保存的速度，避免了由于断电保存数据量过大导致保存失败的情况。综上所述，本发明有利于提高SSD的运行效率，增加SSD的安全性。
附图说明
图1为主机与SSD的通信结构图；
图2为用户删除数据操作示意图；
图3为Trim操作示意图；
图4为Trim命令解析后的5种情况示意图；
图5为SSD控制器处理Trim命令示意图；
图6为Trim管理中涉及的各类表的示意图；
图7为前台Trim操作流程图；
图8为后台Trim操作流程图。
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
本实施例公开一种应用于SSD中的Trim管理方法。
SSD正在逐渐取代HDD成为应用更广泛的存储硬盘。SSD内部以非易失性存储介质作为存储单元，由于非易失性存储介质自身存在的物理属性问题，随着SSD写入的数据量增大，其读写性能会降低。为了改善这一现象，Trim技术应运而生。Trim最开始是为了改善SSD预留空间的大小，现在Trim技术可以改善SSD的写操作速度，并提高SSD的性能，减小写入放大，提高设备的使用寿命。
如图1所示，主机通过通信接口向SSD发送命令，SSD收到命令后开始执行相应操作，非易失性存储介质控制模块经过通过存储介质接口实现对存储介质的读写擦等操作。Trim也是主机发送的一条命令，该命令将告知SSD哪些是用户删除的文件或数据，需要SSD将相应位置的映射改为无效。
用户保存一组数据，操作系统把数据划分为若干逻辑块，然后再写入到SSD中保存。用户执行一个数据删除操作，只是切断了用户与操作系统之间的联系，即用户无法访问到已删除数据的逻辑地址，但是操作系统不会把删除数据的信息通知给SSD，所以SSD无法知道用户删除的数据对应在SSD上的物理页是否有效，逻辑页与物理页的映射关系依然存在，用户删除的数据在SSD上依然是有效的。
操作系统需要一种机制将删除操作的信息通知到SSD，让SSD提前将操作系统删除的无效数据清空，即将删除数据的映射关系清空，保证SSD的读写性能不下降，而这种机制通常是Trim或者Unmap命令。Trim机制会告知SSD操作系统标记的无效数据，当SSD知晓无效数据的信息后，在做垃圾回收（Garbage Collection，GC）时就可以抛弃无效的数据，减少数据搬移操作。
Trim技术也存在一些缺点。在做Trim处理时，如果系统产生的Trim命令过多，SSD则需要花费更多的时间以及占用更多的计算资源去处理Trim，这样势必会引起SSD的读写性能下降。同时，Trim需要额外的空间存储用于标记数据是否有效的状态表（即bitmap），在SSD断电后需要将这些bitmap以及相关信息保存到非易失性存储介质中用于上电重建映射表，如果bitmap过大则在断电时需要更长的时间来保存，增加了保存失败的风险，使SSD的安全性受到影响。
图2为用户端删除部分数据的示例。在未应用Trim技术的SSD中，用户删除的数据在映射表中其所在位置的映射依然有效，后续若有数据写入不允许写在该位置。而Trim技术则是告知SSD将用户删除的数据所对应的映射置为无效状态（可用状态），后续的数据写入允许写在该位置，相当于延缓出现由于SSD写入空间不足而导致写操作性能下降的问题。
如图3所示。操作系统通过Trim命令通知SSD：LPA0-LPA7数据已经变为无效数据，需要被Trim，SSD在收到Trim命令后将LPA0-LPA7所对应的物理地址PPA0-PPA7置为空地址，以0表示该映射为空，同时更新PPA0-PPA7所在的物理块上的有效数据页数，因为SSD的垃圾回收机制会根据物理块上的有效数据页数进行回收。上述过程就是一个简单的Trim操作。
本实施例针对Trim存在的这些问题提出了有效的解决方法，采用前台和后台相结合的方式完成Trim操作，并且通过设置Trim BASE和Trim range的方式缩小了需要下电保存的bitmap的大小，这样既可以保证运行效率减小对正常读写的影响又可以提高断电保存的速度。
本实施例所述方法将SSD中所有的逻辑映射划分为N个base，N为正整数，并且
Figure 726796DEST_PATH_IMAGE001
，其中totallpas表示SSD中逻辑映射的总数量，baselpas表示一个base中包含的逻辑映射的数量；
设置两个bitmap，一个是对应SSD中所有逻辑映射的bitmap，另一个是对应所有base的bitmap，若bitmap某一位为1，说明该位置对应的逻辑映射或者base需要被Trim。不同的是，下电保存时，只把base对应的bitmap保存到非易失性存储介质中。
同时设置了Trim range用于存放不对齐的LPAs。主机发出Trim命令，SSD接收并解析Trim命令，得到一个需要Trim的LPA范围，包括起始LPA和长度。根据起始LPA与其所在BASE的起始LPA是否一致（即是否起始对齐），以及末尾LPA（起始LPA加上长度）与其所在BASE的末尾LPA是否一致（即是否末尾对齐），本发明将其分为5种情况分别进行相应处理，如图4所示，其中灰色部分表示需要被Trim的LPAs。
本发明将与BASE不对齐的LPA信息（包括起始LPA和长度）暂时记录到Trim range中，Trim range可以包含多组不对齐的LPA信息，当达到一定数量后，前台Trim操作将会集中处理掉Trim range中所有记录的未被Trim的LPAs，清空Trim range等待记录下一组不对齐的LPA信息。对于对齐的BASE，前台Trim操作更新对应的BASE bitmap，将对应位置的bit置为1，表示该BASE需要被Trim。为了不影响SSD正常的读写性能，前台Trim处理结束后告知前端命令队列（Command Queue，CQ）释放该Trim命令。后台Trim操作时，首先对Trim range中不对齐的LPAs执行Trim操作，然后通过BASE bitmap查找bit值1的BASE，执行Trim处理该BASE中LPAs。后台Trim操作与前台Trim操作是异步进行，后台Trim操作可以根据实际情况确定每次需要Trim的BASE数量，而不是在后台一次性处理所有的BASE，这样可以平衡计算资源的占用，稳定SSD的性能。
如图5所示，主机通过SSD接口发送Trim命令，SSD控制器中的Trim管理模块负责Trim命令接收和解析，然后分发至前台或者后台执行具体的Trim操作处理。
本发明将SSD系统中的Trim管理分为前台和后台两个异步的过程来实现，以页映射为例进行说明。
如图6所示。SSD中的每一条映射都对应着唯一的一个bit，若该映射为需要被Trim则bit为1，否则为0。本发明将固定数量的连续映射看作为一个BASE，以图6为例，每4条映射看作一个BASE，同样地，每个BASE对应一个bit，若该BASE中的4条映射都需要被Trim则bit为1，否则为0。由此可知，BASE bitmap的大小相对于LPA bitmap可以缩小4倍，实际应用中可以根据SSD的容量大小进行合理设置。SSD接收到Trim命令后，前台Trim根据解析的结果更新相应的LPA bitmap和BASE bitmap。前台/后台Trim操作都是根据bitmap的状态更新对应的LPA或者BASE的映射表，在更新完映射表后立即更新对应的物理块中有效物理页的数量，将Trim处理完的LPA或者BASE对应位置的bitmap状态重置为0，完成一个Trim操作。
如图7所示。前台Trim处理接收并解析Trim命令，然后根据解析的LPA信息更新对应的LPA bitmap和BASE bitmap，同时将不与BASE对齐的LPAs保存到Trim range中，如果保存数量达到上限则立即对Trim range中的LPAs执行Trim操作，如果未达到保存数量上限，则表示该条Trim请求命令的前台处理流程结束，通知后台Trim处理启动。
如图8所示。前台Trim处理结束后会通知到后台Trim处理，此时后台Trim处理启动，首先对Trim range中未对其的LPAs执行Trim操作，然后找出base bitmap中bit为1所对应的base，对其执行Trim操作，直到全部base处理完毕，后台Trim处理关闭，等待下一次前台Trim的触发。
本实施例所述Trim管理整体流程如下：
1、SSD中的Trim管理模块接收到主机端发送的Trim请求命令。
2、前台Trim管理接收并解析Trim命令，根据需要Trim的LPA范围，更新对应LPAbitmap的状态，将不对齐的LPAs保存到Trim range中等待下一步处理，更新对齐的LPAs所在的BASE bitmap的状态。
3、查看Trim range中保存的LPAs信息的组数是否达到上限，如果达到上限，立即处理Trim range中所保存的LPAs，处理结束后将LPA bitmap的状态重置（相应位置bit置为0），否则继续执行步骤2，直到主机端不再发送Trim请求命令。
4、前台Trim处理结束，如果Trim range中保存的LPAs组数未达到上限，则转入后台处理，同时后台Trim处理启动标志位置为1，通知后台Trim启动。
5、后台Trim处理启动。
6、查看Trim range中是否存在未处理的LPAs，如果存在，立即处理Trim range中的LPAs。
7、查找BASE bitmap中值为1所对应的BASE，处理该BASE中所包含的LPAs，处理结束后将该BASE的bitmap状态重置为0。
8、直到BASE bitmap中bit为1的BASE全部Trim完毕，以及Trim range中所保存的LPAs全部处理完毕，则表示主机端发送的Trim请求处理结束，将后台Trim处理启动标志位置为0。
需要注意的是：后台处理BASE时，不是一次性更新所有需要Trim的BASE，而是根据计算资源的占用情况合理设置每次需要Trim的BASE数量，目的是减小Trim对资源的占用从而降低对SSD正常的读写性能的影响。
本实施例中，前台操作与后台操作异步进行。具体的，前台操作在接收到Trim命令后立即执行，后台操作在计算资源空闲时进行。
本方法实施的Trim操作与图3所示相同，就是将逻辑映射对应的物理地址置为空，并且更新物理地址所在的物理块上的有效数据页数，然后将逻辑映射或者base的 bitmap的状态重置，就是将Trim操作逻辑映射或者base对应的bit置为0。
如图5所示，SSD控制器中设置Trim管理模块、前台Trim处理模块和后台Trim处理模块，前台操作在Trim管理模块和前台Trim处理模块中进行，Trim管理模块负责Trim命令接收和解析，后台操作在后台Trim处理模块中进行。
上述描述中，LPAs就是指逻辑映射。
本实施所述方法采用前台和后台相结合的方式完成Trim操作，并且通过设置TrimBASE和Trim range的方式缩小了需要下电保存的bitmap的大小，这样既可以保证运行效率减小对正常读写的影响又可以提高断电保存的速度。
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 (5)

1.一种应用于SSD的Trim管理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01）、将SSD中所有的逻辑映射划分为N个base，N为正整数，并且
Figure 714962DEST_PATH_IMAGE001
，其中totallpas表示SSD中逻辑映射的总数量，baselpas表示一个base中包含的逻辑映射的数量，lpas表示逻辑映射；
S02）、设置两个bitmap，一个是对应SSD中所有逻辑映射的bitmap，另一个是对应所有base的bitmap，若bitmap某一位为1，说明该位置对应的逻辑映射或者base需要被Trim，下电保存时，只把base对应的bitmap保存到非易失性存储介质中；
S03）、设置Trim range用于存放未对齐的逻辑映射：
主机发出Trim命令时，SSD进行前台操作，所述前台操作是指接收并解析Trim命令，得到一个需要Trim的逻辑映射范围，包括起始逻辑映射和长度，根据需要Trim的逻辑映射范围将相应逻辑映射在逻辑映射的bitmap中的bit置为1，然后根据起始逻辑映射和长度判断需要Trim的逻辑映射范围与其所在base是否对齐，如果对齐，更新需要Trim的逻辑映射范围对应的base bitmap，将对应位置的bit置为1；如果需要Trim的逻辑映射范围与其所在base未对齐，将未对齐的逻辑映射暂时记录到Trim range中，Trim range包含多组未对齐的逻辑映射，当Trim range中未对齐的逻辑映射的数量达到设定阈值后，对Trim range中的逻辑映射执行Trim操作；当Trim range中未对齐的逻辑映射的数量未达到设定阈值时，从前台操作转入后台操作，后台操作首先对Trim range中未对齐的逻辑映射执行Trim操作，然后通过base bitmap查找bit值1的base，对该base中的逻辑映射执行Trim操作；
前台操作与后台操作异步进行，前台操作在接收到Trim命令后立即执行，后台操作在计算资源空闲时进行。
2.根据权利要求1所述的应用于SSD的Trim管理方法，其特征在于：后台操作对base中的逻辑映射执行Trim操作分多次进行，根据计算资源的占用情况设置每次执行Trim操作的base数量。
3.根据权利要求1所述的应用于SSD的Trim管理方法，其特征在于：所述Trim操作是指将逻辑映射对应的物理地址置为空，并且更新物理地址所在的物理块上的有效数据页数，然后将逻辑映射或者base的 bitmap的状态重置，就是将Trim操作逻辑映射或者base对应的bit置为0。
4.根据权利要求1所述的应用于SSD的Trim管理方法，其特征在于：根据起始逻辑映射与其所在base的起始逻辑映射是否一致以及末尾逻辑映射与其所在base的末尾逻辑映射是否一致判断是否对齐，末尾逻辑映射为起始逻辑映射加上长度。
5.根据权利要求1所述的应用于SSD的Trim管理方法，其特征在于：SSD控制器中设置Trim管理模块、前台Trim处理模块和后台Trim处理模块，前台操作在Trim管理模块和前台Trim处理模块中进行，后台操作在后台Trim处理模块中进行。
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