CN113076267B - 一种基于热点汇集的地址转换方法和数据存储装置 - Google Patents

Abstract

一种基于热点汇集的地址转换方法和数据存储装置，具体包括如下步骤：1)FTL根据下发的请求的逻辑页号，在缓存中查找地址映射表相应的表项，若存在目标映射项，则进入4)，若不存在，则进入2)；2)逐个检查动态转换页索引去判断目标映射项是否存在于相应的动态转换页中，若是，则通过读取相应的动态转换页获取目标映射项，加载这个动态转换页中所有映射项到缓存，进入4)，否则，映射项在一个静态转换页中，进入3)；3)通过DFTL采取常规程序，查询全局转换字典获取包含目标映射项的静态转换页，读取静态转换页后，只加载请求的目标映射项到缓存中，丢弃剩余的项，进入4)；4)获取逻辑页号对应的物理页号，执行请求。本发明提高了缓存命中率，实现更加高效的地址转换，从而提高固态硬盘的访问性能。

Description

一种基于热点汇集的地址转换方法和数据存储装置

技术领域

本发明涉及计算机存储领域，特别是指一种基于热点汇集的地址转换方法和数据存储装置。

背景技术

因其在性能，能耗，抗震性等多方面的优势，固态硬盘已被大多数公司作为重要存储介质部署在数据中心等大规模系统中。然而，随着固态硬盘容量的增长，要求更大的DRAM空间以存储页级FTL中的映射表。假设页面大小为4KB，使用页级映射机制的1TB的固态硬盘会有2²⁸个映射项，这需要2GB的DRAM空间。显然，固态硬盘内置DRAM的大小不足以支持不断增大的固态硬盘容量，因此内置DRAM只能够缓存部分映射项，而总的映射表存储在flash芯片上。

DFTL及其变体实现了页级映射表，并使用缓存映射表暂时存储最近使用的映射项。映射表存储在flash芯片上，其中的映射项按其逻辑页号连续存储。为了快速查找目标项，引入了全局转换字典，在全局转换字典记录了所有的逻辑页号。

在这些设计中，存在一些问题对固态硬盘性能有一定的消极影响。首先，转换页中的映射项按照逻辑页号严格有序，使得热度不一致的映射项存储在同一个转换页中。当读取一个转换页时，很可能只有一小部分映射项被访问和缓存，导致缓存命中率很低。其次，由于一个转换页中只有很小部分的映射项被使用和修改，读-修改-写机制会导致严重的写放大和固态硬盘的性能下降。此外，随着固态硬盘容量的增长，映射表的大小随之增大。而出于成本考虑，很难为固态硬盘配置大容量的DRAM。固态硬盘中的DRAM不仅仅用于缓存映射表，还需要用来用户数据及其他FTL元数据，因此，减小用于映射表的DRAM空间能够提高其他FTL功能的性能。

因此，需要设计一种基于热点汇集的FTL机制，映射表项设计及地址转换流程，提升地址转换效率。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中址转换效率低、性能下降的缺陷，提出一种基于热点汇集的地址转换方法和数据存储装置。

本发明采用如下技术方案：

一种基于热点汇集的地址转换方法，其特征在于，引入动态转换页和动态转换页索引，该动态转换页用来暂时存储从缓存中被驱逐的新的映射项，动态转换页中的映射项在后台定期地合并到静态转换页中，动态转换页索引用于加速动态转换页中映射的查找，具体包括如下步骤：

5)FTL根据下发的请求的逻辑页号，在缓存中查找地址映射表相应的表项，若存在目标映射项，则进入4)，若不存在，则进入2)；

6)逐个检查动态转换页索引去判断目标映射项是否存在于相应的动态转换页中，若是，则通过读取相应的动态转换页获取目标映射项，加载这个动态转换页中所有映射项到缓存，进入4)，否则，映射项在一个静态转换页中，进入3)；

7)通过DFTL采取常规程序，查询全局转换字典获取包含目标映射项的静态转换页，读取静态转换页后，只加载请求的目标映射项到缓存中，丢弃剩余的项，进入4)；

8)获取逻辑页号对应的物理页号，执行请求。

优选的，步骤1)中，缓存包括辅助缓存映射表或者缓存映射表，该辅助缓存映射表作为二级缓存，缓存从缓存映射表中驱逐的新的映射项。

优选的，步骤2)中，还包括：

2.1)读取动态转换页索引列表表尾的索引数据；

2.2)判断索引数据是否为空，若为空，则目标映射项不存在于相应的动态转换页，进入步骤3)，否则，目标映射项存在于相应的动态转换页。

优选的，步骤2)中，还包括：

2.3)判断索引数据的类型是否为1，若是，则采用基于位索引映射结构获取目标映射项，若否，则采用基于Bloom过滤器索引结构获取目标映射项。

5、如权利要求4所述的一种基于热点汇集的地址转换方法，其特征在于，所述采用基于位索引映射结构获取目标映射项，包括如下：

A2.31)判断位索引对应的比特位是否为1，若是，则根据位索引映射的物理页号读取动态转换页数据，根据数据的逻辑页号在该动态转换页中查找目标映射项；否则读取动态转换页索引列表当前索引的前驱，回到步骤2.2)。

优选的，所述采用基于Bloom过滤器索引结构获取目标映射项，包括如下：

B2.31)判断逻辑页号是否在索引最大和最小值范围内，若是，再判断Bloom过滤器测试是否为真,若是，则进入B2.32)；否则，读取动态转换页索引列表当前索引的前驱，回到步骤2.2)；

B2.32)根据索引结构的物理页号读取动态转换页数据，根据数据的逻辑页号在该动态转换页中查找目标映射项，若动态转换页中不存在目标映射项，则回到步骤2.2)。

优选的，步骤3)中，具体如下：计算转换逻辑页，在全局转换字典中，根据转换逻辑页号获取转换物理页号，根据转换物理页号读取对应的静态转换页数据，根据数据的逻辑页号在该静态转换页中查找目标映射项。

一种数据存储装置，包括DRAM和FLASH芯片，其特征在于：该DRAM存储有缓存映射表、辅助缓存映射表、动态转换页索引和全局转换字典；该FLASH芯片设有动态转换块和静态转换块，该动态转换块设有多个动态转换页，该静态转换块设有多个静态转换页。

优选的，所述动态转换页包括多个映射项，每个映射项包括LPN、PPN和flag三个字段；所述动态转换页索引包括基于Bloom过滤器索引结构，该基于Bloom过滤器索引结构包括TPPN、type、max、min和bloom filter五个字段，基于bloom过滤器动态转换页索引中的TPPN字段存储对应动态转换页的TPPN，max和min字段对应于动态转换页中LPN的最大值和最小值,bloom filter字段为传统的布鲁姆过滤器。

优选的，所述动态转换页包括多个映射项，每个映射项包括LPN、PPN和flag三个字段；所述动态转换页索引包括基于位索引映射结构，该基于位索引映射结构包括TPPN、type、min和bitmip四个字段，基于位映射动态转换页索引中的TPPN字段存储对应动态转换页的TPPN，min字段对应于动态转换页中LPN的最小值，bitmap字段为动态转换页中LPN＝min+i的存储情况，其中i指的是该动态转换页中的第i个映射项。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明中，引入动态转换页和动态转换页索引，由于时间和空间局部性，将刚从缓存中驱逐的映射项写入动态转换页，提高了缓存命中率，实现更加高效的地址转换，从而提高固态硬盘等存储装置的访问性能。

2、本发明中，由于缓存命中率的提高以及引入的映射表设计能够实现快速的查询，能够高效实现逻辑页码和物理页码的转换，从而快速相应请求，缩短了系统响应时间。

3、本发明的方法和装置，动态转换页和静态转换页的合并过程，合并时只需要将动态转换页索引中flag字段为1的映射项在静态转换页进行更新，不会对固态硬盘等存储装置性能产生消极影响。在实际系统中，固态硬盘不总是繁忙的，合并过程能够在硬盘的空闲时间在后台执行。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为DFTL的示意图；

图3为本发明的FTL机制示意图；

图4为动态转换页和基于Bloom过滤器索引结构相关字段的对应关系；

图5为动态转换页和基于位索引映射结构中相关字段的对应关系。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1，一种基于热点汇集的地址转换方法，引入动态转换页，该动态转换页是辅助转换页，用来暂时存储从缓存中被驱逐的新的映射项，这样热度高的的映射项很可能被汇集到同一个转换页中，动态转换页中的映射项在后台定期地合并到静态转换页中。

由于在同一个动态转换页中的映射项的逻辑页号是不连续的，并且在不同动态转换页中的映射项的逻辑页号间隔可能会重叠，因此在动态转换页中寻找目标映射条目的复杂性会很高。本发明还引入了动态转换页索引结构，用于加速动态转换页中映射的查找，包括有基于Bloom过滤器索引结构和基于Bloom过滤器索引结构。

基于此，本发明方法具体包括如下步骤：

1)FTL根据主机下发的请求的逻辑页号，在缓存中查找地址映射表相应的表项，若存在目标映射项，则进入4)，若不存在，则进入2)。

缓存包括辅助缓存映射表或者缓存映射表，该辅助缓存映射表作为二级缓存，缓存从缓存映射表中驱逐的新的映射项。辅助缓存映射表存放在DRAM中，使用辅助缓存映射表，能够将有着最小间隔逻辑页号的映射项集群到一个动态转换页中，以减小基于bloom过滤器的动态转换页索引的假阳率，这只需要一个固定的内存开销。

当缓存映射表写满之后，将映射项驱逐到辅助缓存映射表中。当辅助缓存映射表写满后，选择性的驱逐一定数量的映射项到同一个动态转换页中，这些映射项的逻辑页号之间有最小的间隔。

2)逐个检查动态转换页索引去判断目标映射项是否存在于相应的动态转换页中，若是，则通过读取相应的动态转换页获取目标映射项，加载这个动态转换页中所有映射项到缓存，进入4)，否则，映射项在一个静态转换页中，进入3)。

该步骤具体包括：

2.1)读取动态转换页索引列表表尾的索引数据；

2.2)判断索引数据是否为空，若为空，则目标映射项不存在于相应的动态转换页，进入步骤3)，否则，目标映射项存在于相应的动态转换页，进入2.3)。

2.3)判断索引数据的类型是否为1，位索引等于逻辑页号减去索引最小值，若是，则采用基于位索引映射结构获取目标映射项，进入步骤A2.31)，若否，则采用基于Bloom过滤器索引结构获取目标映射项，进入步骤B2.31)。

A2.31)判断位索引对应的比特位是否为1，若是，则根据位索引映射的物理页号读取动态转换页数据，根据数据的逻辑页号在该动态转换页中查找目标映射项；否则读取动态转换页索引列表当前索引的前驱，回到步骤2.2)。

B2.31)判断逻辑页号是否在索引最大和最小值范围内，若是，再判断Bloom过滤器测试是否为真,若是，则进入B2.32)；否则，读取动态转换页索引列表当前索引的前驱，回到步骤2.2)；

B2.32)根据索引结构的物理页号读取动态转换页数据，根据数据的逻辑页号在该动态转换页中查找目标映射项，若动态转换页中不存在目标映射项，则回到步骤2.2)。

3)通过DFTL采取常规程序，查询全局转换字典获取包含目标映射项的静态转换页，读取静态转换页后，只加载请求的目标映射项到缓存中，丢弃剩余的项，进入4)。

具体的，计算转换逻辑页，转换逻辑页号等于逻辑页号对每页映射项数求整，在全局转换字典中，根据转换逻辑页号获取转换物理页号，根据转换物理页号读取对应的静态转换页数据，根据数据的逻辑页号在该静态转换页中查找目标映射项。

4)获取逻辑页号对应的物理页号，输出目标映射的物理地址，完成地址转换，执行请求。对于每个请求，都能够得到逻辑页号对应的物理页号。具体的，如果是读请求，只读物理页号下的数据并返回数据。如果是写请求，标记旧的物理页号无效并且将数据写入一个新的物理页号。

基于此，本发明还提出一种数据存储装置，其可采用上述的一种基于热点汇集的地址转换方法。该数据存储装置包括DRAM和FLASH芯片，该DRAM存储有缓存映射表、辅助缓存映射表、动态转换页索引和全局转换字典；该FLASH芯片设有动态转换块和静态转换块，该动态转换块设有多个动态转换页，该静态转换块设有多个静态转换页。

动态转换页包括多个映射项，每个映射项包括LPN、PPN和flag三个字段。其中LPN和PPN分别为逻辑页号和物理页号，一位的flag字段用来说明映射项加载到缓存后是否有被更新。

动态转换页索引包括基于Bloom过滤器索引结构，其包括TPPN、type、max、min和bloom filter五个字段，其中TPPN是DTP的物理页号，type用来说明动态转换页索引是基于bloom过滤器类型或是基于位映射类型，max和min分别是存储在动态转换页中映射项的逻辑页号的最大值和最小值，bloom过滤器通过动态转换页中映射项的逻辑页号生成。通过max和min字段，如果一个映射项的逻辑页号不属于[min，max]，可以直接得出该映射项不在相应的动态转换页中的结论，如果逻辑页号在该范围内，再使用bloom过滤器。通过bloom过滤器、max和min，能够快速找到动态转换页中的目标映射项。

其中，参见图4，基于bloom过滤器动态转换页索引中的TPPN字段存储对应动态转换页的TPPN(图示中为1000)，max和min字段对应于动态转换页中LPN的最大值和最小值(图示中为6000和10),bloom filter字段为传统的布鲁姆过滤器。

动态转换页索引还包括基于位索引映射结构，其包括TPPN、type、min和bitmip四个字段，其中TPPN、type、min字段含义与和基于bloom过滤器的动态转换页索引中的字段一致。bitmap字段用来说明一个项是否在动态转换页中。如果bitmap字段的第i位为1，逻辑页号为min+i的映射项存在于相应的动态转换页中，否则不在；两种索引的选择取决于为映射分配的空间(临界点的设计)。例如，如果为一个动态转换页索引分配的空间为384个字节，TPPN和最小值分别占用4个字节，类型占用1位，那么可以有3007位用于位映射。这个临界点设置位3007。

其中，参见图5，基于位索引映射结构中的TPPN字段存储对应动态转换页的TPPN(图示中为2000)，min字段对应于动态转换页中LPN的最小值(图示中为30)，bitmap字段为动态转换页中LPN＝min+i的存储情况，其中i指的是该动态转换页中的第i个映射项。

参见图2和图3，本发明的基于热点集群的FTL机制结构与DFTL结构在DRAM空间中的区别为：DFTL结构在DRAM空间中包括全局转换字典和缓存映射表；基于热点集群的FTL机制结构在DRAM空间中添加了辅助缓存映射表和动态转换页索引，同时引入这些设计以提高缓存命中率，缩短响应时间。

基于热点集群的FTL机制结构与DFTL结构在转换块结构中的区别为：DFTL的结构中转换块中有多个转换页(全部为静态转换页)，转换页中存储多个映射项，每项有LPN和PPN两个字段；基于热点集群的FTL机制结构中将DFTL中的转换块称为静态转换页，同时设置了动态转换页，与静态转换页区别为动态转换页添加了字段flag。

本发明的存储装置，根据上述的基于热点汇集的地址转换方法实现逻辑页号和物理页号之间的转换，只读物理页号下的数据并返回数据。本发明的该FTL机制实现逻辑页号和物理页号之间的转换，标记旧的物理页号无效并且将数据写入一个新的物理页号。

此外，当处理一个较大的请求时，FTL机制会将这个大的请求划分为几个子请求，这些子请求会请求一些顺序的页。在基于热点汇集的FTL机制中，首次引入了请求级别的预取。如果第一个子请求的映射项不在缓存中，请求级别的预取会加载所有被这大请求所请求的映射项。

本发明的存储装置，不会对固态硬盘性能产生消极影响。如动态转换页和静态转换页的合并过程，合并时只需要将动态转换页索引中flag字段为1的映射项在静态转换页进行更新。对于固态硬盘，如果一个动态转换页被写入flash芯片，它的动态转换页索引会被加入缓存。与之相反的是，如果存储在动态转换页中的一个映射项被加载到缓存中，相应的动态转换页索引将会被删除。由于时间和空间的局部性，动态转换页索引的数量并不总是增长。所以在每个合并过程中，静态转换页中没有太多的映射项被更新。此外，在实际系统中，固态硬盘不总是繁忙的，合并过程能够在硬盘的空闲时间在后台执行。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种基于热点汇集的地址转换方法，其特征在于，引入动态转换页和动态转换页索引，该动态转换页用来暂时存储从缓存中被驱逐的新的映射项，动态转换页中的映射项在后台定期地合并到静态转换页中，动态转换页索引用于加速动态转换页中映射的查找，具体包括如下步骤：

1) FTL根据下发的请求的逻辑页号，在缓存中查找地址映射表相应的表项，若存在目标映射项，则进入4），若不存在，则进入2）；

2)逐个检查动态转换页索引去判断目标映射项是否存在于相应的动态转换页中，若是，则通过读取相应的动态转换页获取目标映射项，加载这个动态转换页中所有映射项到缓存，进入4），否则，映射项在一个静态转换页中，进入3）；步骤还包括：

2.1）读取动态转换页索引列表表尾的索引数据；

2.2）判断索引数据是否为空，若为空，则目标映射项不存在于相应的动态转换页，进入步骤3），否则，目标映射项存在于相应的动态转换页；

2.3）判断索引数据的类型是否为1，若是，则采用基于位索引映射结构获取目标映射项，若否，则采用基于Bloom过滤器索引结构获取目标映射项；

3）通过DFTL采取常规程序，查询全局转换字典获取包含目标映射项的静态转换页，读取静态转换页后，只加载请求的目标映射项到缓存中，丢弃剩余的项，进入4）；

4）获取逻辑页号对应的物理页号，执行请求。

2.如权利要求1所述的一种基于热点汇集的地址转换方法，其特征在于，步骤1）中，缓存包括辅助缓存映射表或者缓存映射表，该辅助缓存映射表作为二级缓存，缓存从缓存映射表中驱逐的新的映射项。

3.如权利要求1所述的一种基于热点汇集的地址转换方法，其特征在于，所述采用基于位索引映射结构获取目标映射项，包括如下：

A2.31）判断位索引对应的比特位是否为1，若是，则根据位索引映射的物理页号读取动态转换页数据，根据数据的逻辑页号在该动态转换页中查找目标映射项；否则读取动态转换页索引列表当前索引的前驱，回到步骤2.2）。

4.如权利要求1所述的一种基于热点汇集的地址转换方法，其特征在于，所述采用基于Bloom过滤器索引结构获取目标映射项，包括如下：

B2.31）判断逻辑页号是否在索引最大和最小值范围内，若是，再判断Bloom过滤器测试是否为真,若是，则进入B2.32）；否则，读取动态转换页索引列表当前索引的前驱，回到步骤2.2）；

B2.32)根据索引结构的物理页号读取动态转换页数据，根据数据的逻辑页号在该动态转换页中查找目标映射项，若动态转换页中不存在目标映射项，则回到步骤2.2）。

5.如权利要求1所述的一种基于热点汇集的地址转换方法，其特征在于，步骤3）中，具体如下：计算转换逻辑页，在全局转换字典中，根据转换逻辑页号获取转换物理页号，根据转换物理页号读取对应的静态转换页数据，根据数据的逻辑页号在该静态转换页中查找目标映射项。

6.一种数据存储装置，包括DRAM和FLASH芯片，其特征在于：用于执行权利要求1至5中任一项所述的一种基于热点汇集的地址转换方法，该DRAM 存储有缓存映射表、辅助缓存映射表、动态转换页索引和全局转换字典；该FLASH芯片设有动态转换块和静态转换块，该动态转换块设有多个动态转换页，该静态转换块设有多个静态转换页。

7.如权利要求6所述的一种数据存储装置，其特征在于：所述动态转换页包括多个映射项，每个映射项包括LPN、PPN和flag三个字段；所述动态转换页索引包括基于 Bloom过滤器索引结构，该基于Bloom过滤器索引结构包括TPPN、type、max、min和bloom filter五个字段，基于bloom过滤器动态转换页索引中的TPPN字段存储对应动态转换页的TPPN，max和min字段对应于动态转换页中LPN的最大值和最小值,bloom filter字段为传统的布鲁姆过滤器。

8.如权利要求6所述的一种数据存储装置，其特征在于，所述动态转换页包括多个映射项，每个映射项包括LPN、PPN和flag三个字段；所述动态转换页索引包括基于位索引映射结构，该基于位索引映射结构包括TPPN、type、min和bitmip四个字段，基于位映射动态转换页索引中的TPPN字段存储对应动态转换页的TPPN，min字段对应于动态转换页中LPN的最小值，bitmap字段为动态转换页中LPN=min+i的存储情况，其中i指的是该动态转换页中的第i个映射项。

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