TW201908975A

TW201908975A - 管理固態硬碟之方法、系統及電腦可讀取媒體

Info

Publication number: TW201908975A
Application number: TW106123291A
Authority: TW
Inventors: 黃意中; 傅子瑜
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2019-03-01
Also published as: TWI633434B

Abstract

一種管理固態硬碟之方法、系統及電腦可讀取媒體。管理固態硬碟的方法包括以下步驟。獲取一固態硬碟的一頁面的一頁面尺寸。獲取一檔案系統的一邏輯區塊的一邏輯區塊尺寸。依據頁面尺寸及邏輯區塊尺寸，建立固態硬碟的頁面的一頁面位址與檔案系統的邏輯區塊的一邏輯區塊位址之間的一映射關係。當讀取或寫入固態硬碟的一資料時，獲取資料對應的一目標邏輯區塊位址。以及依據目標邏輯區塊位址及映射關係，獲取一目標頁面位址，其中目標邏輯區塊位址對應該目標頁面位址。

Description

管理固態硬碟之方法、系統及電腦可讀取媒體

本發明是有關於一種管理固態硬碟之方法、系統及電腦可讀取媒體。

隨著科技進步，愈來愈常見使用固態硬碟 (Solid State Disk/Solid State Drive, SSD) 作為電子裝置的儲存裝置。固態硬碟的電氣特性與傳統硬碟 (Hard Disk Drive, HDD) 不同，固態硬碟的讀寫操作係以頁面 (page) 為單位，其中，一個頁面的頁面尺寸可以為4KB (kilobyte)、8KB或16KB。

然而，在部份的作業系統中，其檔案系統的邏輯區塊尺寸係以傳統硬碟的最小磁區 (sector) 尺寸，例如512位元組 (byte)，作為檔案系統中的最小操作單位。在這樣的情況下，檔案系統無法直接管理儲存在固態硬碟中的檔案。因此，如何使固態硬碟可供檔案系統操作係為目前業界努力的方向之一。

本發明係有關於一種管理固態硬碟之方法、系統及電腦可讀取媒體。移除固態硬碟的快閃記憶體轉換層，透過位於驅動程式層的位址映射單元負責實體頁面位址與邏輯區塊位址之間的映射關係處理。將固態硬碟的每個頁面模擬成符合檔案系統操作規範的邏輯區塊尺寸，可使固態硬碟相容於各版本的Windows作業系統，提高系統相容性。

根據本發明之第一方面，提出一種管理固態硬碟之方法。管理固態硬碟的方法包括以下步驟。獲取一固態硬碟的一頁面的一頁面尺寸。獲取一檔案系統的一邏輯區塊的一邏輯區塊尺寸。依據頁面尺寸及邏輯區塊尺寸，建立固態硬碟的頁面的一頁面位址與檔案系統的邏輯區塊的一邏輯區塊位址之間的一映射關係。當讀取或寫入固態硬碟的一資料時，獲取資料對應的一目標邏輯區塊位址。以及依據目標邏輯區塊位址及映射關係，獲取一目標頁面位址，其中目標邏輯區塊位址對應該目標頁面位址。

根據本發明之第二方面，提出一種管理固態硬碟之系統。管理固態硬碟的系統包括一固態硬碟、一檔案系統以及一位址映射單元。固態硬碟包括一頁面，此頁面具有一頁面尺寸。檔案系統包括一邏輯區塊，此邏輯區塊具有一邏輯區塊尺寸。位址映射單元用以依據頁面尺寸及邏輯區塊尺寸，建立固態硬碟的頁面的一頁面位址與檔案系統的邏輯區塊的一邏輯區塊位址之間的一映射關係。其中，當讀取或寫入固態硬碟的一資料時，位址映射單元獲取依據資料對應的一目標邏輯區塊位址，以及依據目標邏輯區塊位址及映射關係，獲取一目標頁面位址，其中目標邏輯區塊位址對應目標頁面位址。

根據本發明之第三方面，提出一種電腦可讀取媒體。電腦可讀取媒體儲存有一軟體程式。此軟體程式執行時，將使具有一控制器之一電子裝置進行一管理固態硬碟的方法。此方法包括以下步驟。獲取一固態硬碟的一頁面的一頁面尺寸。獲取一檔案系統的一邏輯區塊的一邏輯區塊尺寸。依據頁面尺寸及邏輯區塊尺寸，建立固態硬碟的頁面的一頁面位址與檔案系統的邏輯區塊的一邏輯區塊位址之間的一映射關係。當讀取或寫入固態硬碟的一資料時，獲取資料對應的一目標邏輯區塊位址。以及依據目標邏輯區塊位址及映射關係，獲取一目標頁面位址，其中目標邏輯區塊位址對應該目標頁面位址。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

以下提出各種實施例進行詳細說明，然而，實施例僅用以作為範例說明，並不會限縮本發明欲保護之範圍。此外，實施例中的圖式省略部份元件，以清楚顯示本發明的技術特點。

傳統硬碟 (Hard Disk Drive, HDD) 在儲存資料時，係以512位元組 (byte) 大小的一個磁區 (sector) 作為分割單位，以進行讀寫。在微軟Windows 10 Redstone 1更新之前的作業系統中的檔案系統，其操作的邏輯區塊的邏輯區塊尺寸係為512位元組。

而固態硬碟 (Solid State Disk/Solid State Drive, SSD) 以記憶體儲存資料。舉例來說，固態硬碟以NAND型快閃記憶體 (NAND flash) 儲存資料。固態硬碟的讀寫操作係以頁面 (page) 為單位，其中，一個頁面的頁面尺寸大小可以為4KB (kilobyte，千位元組)、8KB、16KB或更大的頁面尺寸。因此，固態硬碟與微軟Windows 10作業系統的Redstone 1更新之前的檔案系統具有相容性的問題。

對此，固態硬碟透過在檔案系統與實體資料儲存層之間的一快閃記憶體轉換層 (Flash Translation Layer, FTL)，將固態硬碟的一個頁面模擬多個尺寸較小的邏輯區塊，以克服固態硬碟與檔案系統之間的相容性問題。

請參照第1A圖，其繪示模擬512位元組 (512 byte emulation, 512e) 之固態硬碟120a與作業系統150a連接之示意圖。在本範例中，模擬512位元組之固態硬碟120a的一個頁面的頁面尺寸為4K。應該理解的是，一個頁面的頁面尺寸並不以4KB為限，頁面尺寸可以例如是8KB、16KB或更大的頁面尺寸。模擬512位元組之固態硬碟120a透過storAHCI驅動程式建立與作業系統150a之間的連接。作業系統150a的檔案系統130a僅能對邏輯區塊尺寸為512位元組的邏輯區塊進行操作。

因此，必須先將模擬512位元組之固態硬碟120a的一個頁面模擬成多個512位元組大小的邏輯區塊，以供檔案系統130a操作。舉例來說，頁面尺寸為4KB的頁面模擬為8個512 byte的邏輯區塊。模擬512位元組之固態硬碟120a的一個頁面 (4KB) 可透過快閃記憶體轉換層122a模擬為8個邏輯區塊大小為512位元組的邏輯區塊。換言之，模擬512位元組之固態硬碟120a透過快閃記憶體轉換層122a輸出的邏輯區塊的邏輯區塊大小為512位元組。檔案系統130a可對快閃記憶體轉換層122a模擬出來的512位元組大小的邏輯區塊進行操作。模擬512位元組之固態硬碟120a經快閃記憶體轉換層映射 (mapping) 處理後，係輸出邏輯區塊尺寸為512位元組之邏輯區塊，無法再更動。

作業系統150a可以例如是微軟Windows 10 Redstone 1更新之前的作業系統，舉例來說，Windows XP作業系統、Windows 7作業系統等。檔案系統130a可以例如為NTFS (New Technology File System) 檔案系統。NTFS檔案系統的常見磁區分割大小在16TB (terabyte) 以下，在NTFS檔案系統中，最小的容量單元為4KB大小的叢集 (cluster)。為了避免與硬碟之間的相容性問題，每個叢集由8個512位元組的邏輯區塊組成。

請參照第1B圖，其繪示原生4K (4K native, 4Kn) 之固態硬碟120b與作業系統150b連接之示意圖。在本範例中，原生4K之固態硬碟120b的一個頁面的頁面尺寸為4K。應該理解的是，一個頁面的頁面尺寸並不以4KB為限，頁面尺寸可以例如是8KB、16KB或更大的頁面尺寸。原生4K之固態硬碟120b透過storAHCI驅動程式建立與作業系統150b之間的連接。作業系統150b可以例如是微軟Windows 10作業系統Redstone 1更新之後的作業系統，舉例來說，Windows 10 Redstone 1、Windows 10 Redstone 2、Windows 10 Redstone 3等。檔案系統130b可以例如為NTFS檔案系統。作業系統150b的檔案系統130b能對邏輯區塊尺寸為4KB的邏輯區塊進行操作。

原生4K之固態硬碟120b的一個頁面經過快閃記憶體轉換層122a進行映射處理後，映射處理後的邏輯區塊之邏輯區塊尺寸仍係為4KB。換言之，原生4K之固態硬碟120b經快閃記憶體轉換層122a輸出的邏輯區塊的邏輯區塊尺寸係為4KB。檔案系統130b可對4KB大小的邏輯區塊進行操作。原生4K之固態硬碟120b經快閃記憶體轉換層映射處理後輸出邏輯區塊尺寸為4KB之邏輯區塊，無法再更動。

請參照第2圖，其繪示依照本發明一實施例之管理固態硬碟的系統20之示意圖。系統20包括一位址映射單元210、一固態硬碟220以及一作業系統250。固態硬碟220包括一頁面，頁面具有一頁面尺寸。頁面尺寸可以例如是4KB、8KB、16KB或其他頁面尺寸。固態硬碟220透過storAHCI驅動程式建立與位址映射單元210及作業系統250之間的連接。作業系統250包括一檔案系統230。檔案系統230包括一邏輯區塊，邏輯區塊具有一邏輯區塊尺寸。邏輯區塊尺寸可以例如是512位元組、4KB或其他尺寸。

位址映射單元210建立固態硬碟220中的一頁面位址與檔案系統230的一邏輯區塊位址之間的邏輯實體位址映射 (logical-to-physical address mapping) 關係。其中，位址映射單元210可以例如是藉由使用一晶片、晶片內的一電路區塊、一韌體電路、含有數個電子元件及導線的電路板或儲存複數組程式碼的一儲存媒體來實現，也可藉由電腦系統、伺服器等電子裝置執行對應軟體、驅動程式或程式來實現。作業系統250可以例如是微軟Windows作業系統，舉例來說，Windows XP作業系統、Windows 7作業系統、Windows 10 Redstone 1、Windows 10 Redstone 2、Windows 10 Redstone 3等。檔案系統230可以例如為NTFS檔案系統。

請同時參照第2圖及第3圖。第3圖繪示依照本發明一實施例之管理固態硬碟的方法之流程圖。第3圖繪示之電池管理固態硬碟的方法可應用於如第2圖所示之系統20。為了清楚說明上述各項元件的運作以及本發明實施例的管理固態硬碟的方法，以下將搭配第3圖之流程圖詳細說明如下。然而，本發明所屬技術領域中具有通常知識者均可瞭解，本揭露實施例的擴充方法並不侷限應用於第2圖的系統20，也不侷限於第3圖之流程圖的各項步驟順序。

根據本發明一實施例，首先，於步驟S302，位址映射單元210施加一識別裝置指令 (Identify Device Command) 至固態硬碟220，以獲取固態硬碟220的一頁面的一頁面尺寸。於步驟S304，位址映射單元210獲取檔案系統230的一邏輯區塊的一邏輯區塊尺寸。於步驟S306，位址映射單元210依據頁面尺寸及邏輯區塊尺寸，建立固態硬碟220的頁面的頁面位址與檔案系統230的邏輯區塊的邏輯區塊位址之間的一映射關係。映射關係可以依據頁面尺寸及邏輯區塊尺寸之間的一比例值、頁面位址、頁面的一子頁面位址以及邏輯區塊位址而建立。進一步說，透過下式(1)，可建立固態硬碟220的頁面的頁面位址與檔案系統230的邏輯區塊的邏輯區塊位址之間的映射關係。(1) 以頁面尺寸及邏輯區塊尺寸之間的一比例值對邏輯區塊位址執行一除法運算，經過此除法運算所得之商數為頁面位址，此除法運算所得之餘數則為此頁面位址的頁面中的子頁面位址。其中PS為頁面尺寸、LBS為邏輯區塊尺寸、PBA為頁面位址、SPBA為子頁面位址，以及LBA為邏輯區塊位址。

固態硬碟220的頁面的頁面位址與檔案系統230的邏輯區塊的邏輯區塊位址之間的映射關係亦可由上述式(1)改寫如下式(2)。(2)

請參照第4A圖，其繪示一邏輯實體映射關係之示意圖。在本發明一實施例中，固態硬碟的頁面尺寸可以例如是4KB，檔案系統的邏輯區塊尺寸可以例如是512位元組。舉例來說，邏輯區塊位址為15之邏輯區塊，透過上述式(1)或式(2)之映射關係，對應於頁面位址為1的頁面，並對應於此頁面中的子頁面位址為7的子頁面。

請參照第4B圖，其繪示另一邏輯實體映射關係之示意圖。在本發明另一實施例中，固態硬碟的頁面尺寸可以例如是4KB，檔案系統的邏輯區塊尺寸可以例如是4KB。舉例來說，邏輯區塊位址為1之邏輯區塊，透過上述式(1)或式(2)之映射關係，對應於頁面位址為1的頁面，並對應於此頁面中的子頁面位址為0的子頁面。

依據本發明之實施例，固態硬碟220直接以頁面的頁面尺寸輸出頁面至位址映射單元210，位址映射單元210依據頁面尺寸及邏輯區塊尺寸，將固態硬碟220的頁面模擬成符合檔案系統230操作規範的邏輯區塊尺寸 (例如為512位元組或4KB)，並建立固態硬碟220的頁面的頁面位址與檔案系統230的邏輯區塊的邏輯區塊位址之間的映射關係，可使固態硬碟相容於各版本的Windows作業系統。

請參照第3圖，於位址映射單元210建立固態硬碟220的頁面的頁面位址與檔案系統230的邏輯區塊的邏輯區塊位址之間的映射關係之後，於步驟S308，當主機或使用者讀取或寫入固態硬碟的一資料時，位址映射單元210獲取此資料對應的目標邏輯區塊位址。隨後，於步驟S310，位址映射單元210依據目標邏輯區塊位址及映射關係，獲取對應於目標邏輯區塊位址的目標頁面位址。

在本發明一實施例中，第3圖繪示之管理固態硬碟之方法係由位址映射單元210執行。位址映射單元210可藉由電腦系統、伺服器等具有控制器之電子裝置執行對應軟體、驅動程式或程式來實現。位址映射單元210位於固態硬碟220及檔案系統230之間的一驅動程式層，非位於固態硬碟220的韌體中。

依據本發明之實施例所提出之管理固態硬碟的方法、系統及電腦可讀取媒體，可移除固態硬碟的快閃記憶體轉換層，透過位於驅動程式層的位址映射單元負責實體頁面位址與邏輯區塊位址之間的映射關係處理，可減少固態硬碟的背景活動 (SSD Background Activity) 以及固態硬碟的控制器的運算負擔。

再者，依據本發明之實施例所提出之管理固態硬碟的方法、系統及電腦可讀取媒體，可於辨識固態硬碟的頁面的頁面尺寸以及邏輯區塊的邏輯區塊尺寸後，依據頁面尺寸及邏輯區塊尺寸，將固態硬碟的每個頁面模擬成符合檔案系統操作規範的邏輯區塊尺寸，可使固態硬碟相容於各版本的Windows作業系統，提高系統相容性，較快閃記憶體轉換層的使用有更大的彈性。

此外，依據本發明之實施例所提出之管理固態硬碟的方法、系統及電腦可讀取媒體，固態硬碟在進行耗損平均 (Wear Leveling) 抹寫時，固態硬碟的輸出及輸入資料的大小係為一致，不須額外的讀寫動作來搬移資料，可減少額外的計算次數，進而降低固態硬碟的控制器的運算負擔。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

120a、120b、220‧‧‧固態硬碟

122a、122b‧‧‧快閃記憶體轉換層

130a、130b、230‧‧‧檔案系統

150a、150b、250‧‧‧作業系統

20‧‧‧系統

210‧‧‧位址映射單元

S302～S310‧‧‧流程步驟

第1A圖繪示模擬512位元組之固態硬碟與作業系統連接之示意圖。第1B圖繪示原生4K之固態硬碟與作業系統連接之示意圖。第2圖繪示依照本發明一實施例之管理固態硬碟的系統之示意圖。第3圖繪示依照本發明一實施例之管理固態硬碟的方法之流程圖。第4A圖繪示一邏輯實體映射關係之示意圖。第4B圖繪示一邏輯實體映射關係之示意圖。

Claims

一種管理固態硬碟的方法，該方法包括：獲取一固態硬碟的一頁面的一頁面尺寸；獲取一檔案系統的一邏輯區塊的一邏輯區塊尺寸；依據該頁面尺寸及該邏輯區塊尺寸，建立該固態硬碟的該頁面的一頁面位址與該檔案系統的該邏輯區塊的一邏輯區塊位址之間的一映射關係；當讀取或寫入該固態硬碟的一資料時，獲取該資料對應的一目標邏輯區塊位址；以及依據該目標邏輯區塊位址及該映射關係，獲取一目標頁面位址，其中該目標邏輯區塊位址對應該目標頁面位址。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中建立該映射關係之步驟包括：依據該頁面尺寸及該邏輯區塊尺寸的一比例值、該頁面位址、該頁面的一子頁面位址以及該邏輯區塊位址建立該映射關係。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該映射關係為；其中PS為該頁面尺寸、LBS為該邏輯區塊尺寸、PBA為該頁面位址、SPBA為該子頁面位址，以及LBA為該邏輯區塊位址。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中獲取該頁面尺寸之步驟包括：施加一識別裝置指令 (Identify Device Command) 以獲取該固態硬碟的該頁面尺寸。
如申請專利範圍第1項所述之方法，該方法係由一位址映射單元執行，該位址映射單元位於該固態硬碟及該檔案系統之間的一驅動程式層。
一種管理固態硬碟的系統，該系統包括：一固態硬碟，包括一頁面，該頁面具有一頁面尺寸；一檔案系統，包括一邏輯區塊，該邏輯區塊具有一邏輯區塊尺寸；以及一位址映射單元，用以依據該頁面尺寸及該邏輯區塊尺寸，建立該固態硬碟的該頁面的一頁面位址與該檔案系統的該邏輯區塊的一邏輯區塊位址之間的一映射關係；其中，當讀取或寫入該固態硬碟的一資料時，該位址映射單元依據該資料對應的一目標邏輯區塊位址及該映射關係，獲取一目標頁面位址，其中該目標邏輯區塊位址對應該目標頁面位址。
如申請專利範圍第6項所述之系統，其中該位址映射單元依據該頁面尺寸及該邏輯區塊尺寸的一比例值、該頁面位址、該頁面的一子頁面位址以及該邏輯區塊位址建立該映射關係。
如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該映射關係為；其中，PS為該頁面尺寸、LBS為該邏輯區塊尺寸、PBA為該頁面位址、SPBA為該子頁面位址，以及LBA為該邏輯區塊位址。
如申請專利範圍第6項所述之系統，其中該位址映射單元施加一識別裝置指令 (Identify Device Command) 至該固態硬碟，以獲取該固態硬碟的該頁面尺寸。
如申請專利範圍第6項所述之系統，其中該位址映射單元位於該固態硬碟及該檔案系統之間的一驅動程式層。
一種非暫時性電腦可讀取媒體，其上儲存有一軟體程式，該軟體程式執行時，將使具有一控制器之一電子裝置進行一管理固態硬碟的方法，該方法包含：獲取一固態硬碟的一頁面的一頁面尺寸；獲取一檔案系統的一邏輯區塊的一邏輯區塊尺寸；依據該頁面尺寸及該邏輯區塊尺寸，建立該固態硬碟的該頁面的一頁面位址與該檔案系統的該邏輯區塊的一邏輯區塊位址之間的一映射關係；當讀取或寫入該固態硬碟的一資料時，獲取該資料對應的一目標邏輯區塊位址；以及依據該目標邏輯區塊位址及該映射關係，獲取一目標頁面位址，其中該目標邏輯區塊位址對應該目標頁面位址。