TWI472916B - 記憶體儲存空間管理方法 - Google Patents

Description

記憶體儲存空間管理方法

一種記憶體儲存空間管理方法，特別是利用一常駐程式監控儲存空間與檔案系統分配使用情形，以適時釋放佔用而未用的實體記憶區塊。

一般電腦相關的應用系統常透過檔案系統(file system)來存取儲存裝置，而檔案系統的定址方法通常是以容量為512位元組(Byte)之磁區(Sector)為單位之邏輯區塊位址(Logical Block Address, LBA)為主。儲存裝置實際記錄資料時，則須以能夠明確界定資料存放位置之實體位址進行定址，例如：裝置(device)、記憶區塊、記憶頁等位址。在應用系統要求讀取/寫入之邏輯位址與實際存放記錄資料的實體位址之間進行轉換，就是邏輯/實體位址轉換功能，亦即Logical-to-Physical Address Translation。

邏輯/實體區塊位址對應關係如第一圖所示，其中顯示有邏輯位址(logical address, 11)，位址由0至2047999，此例中每個位址對應512位元組(byte)的記憶容量；記憶體更區分有複數個區段(segment)，此例中有segment 0至segment 31，而邏輯位址0至63999形成一個區段。圗中另顯示邏輯區塊位址(LBA, 12)與實體區塊位址(PBA, 14)，之間以一保存邏輯/實體對應表(L2P Mapping Table, 13)對應。

上例中，每個區段區分有256的邏輯區塊位址(12)，其中保留6個冗餘區塊，在合計256個實體區塊(physical block)中，對應250個邏輯區塊(logical block)，其中保留6個記憶區塊作為冗餘區塊(spare block，free block)，以備記錄控制資料，例如：保存邏輯/實體對應表(13)，或是用於取代不良區塊(bad block)，或於更新資料時用於記錄更新資料。原本保存資料的實體區塊，於資料更新記錄到新的位置，經抹除作業後則回復納入可用之冗餘區塊。

從邏輯定址空間(Logical Address)來看，合計共32個區段(segment 0~31)，每個區段內包含250個邏輯區塊，每個邏輯區塊透過對應表(13)對應到一個實體區塊，並可保存128KB的資料；每個邏輯區塊中，配合實體區塊的記憶頁(memory page)容量，劃分為64個連續的記憶頁，每個記憶頁可容納2KB，涵蓋4個連續磁區(sector)，亦即每個邏輯區塊涵蓋連續256個磁區的記錄空間。

從實體定址空間(Physical Address)來看，每個區段內包含256個實體區塊，每個實體記憶區塊包含64個記憶頁，可保存128KB的資料；並可透過對應表(13)對應到一個邏輯區塊。其中未界定對應關係者為可用之冗餘區塊，或因其特性不良而為不良區塊(bad block，圖中未顯示)，或用作啟動區塊(boot block)等。

在第一圖所示之習知的邏輯定址空間與實體位址之轉換關係中，邏輯位址(11)中的每一位址代表一個磁區，可存放512位元組的使用者資料，直接除以單位區塊容量(每一邏輯區塊容量128KB相當於256個磁區，也就是 128KB的使用者資料)，取其整數部分為邏輯區塊位址(Logical Block Address, 12)，取其餘數除以單位記憶頁容量所代表磁區之數量。舉例來說，單位記憶頁容量2KB代表連續4個磁區，即可算出邏輯頁位址，如：邏輯定址100/256=0，對應之邏輯區塊位址(12)為0，對應之記憶頁位址為100/4=25第25個記憶頁；邏輯定址256/256=1，對應之邏輯區塊位址(12)為1，對應之記憶頁位址為0。

所以應用系統根據檔案系統得知邏輯區塊位址(12)後，即需查找上述邏輯/實體位址轉換對應表(13)並自表中查知該邏輯區塊所對應之實體區塊位址(14)。習知為節省存放轉換對應表所需空間，一般將對應表(13)劃分為多個區段，每個區段由一個對應表(13)進行轉換。每一區段由一獨立之轉換對應表記錄一連續的邏輯定址空間與一連續的實體定址空間之間的轉換關係。例如：區段0(Segment 0)記錄邏輯定址0~63999，邏輯區塊定址0~249合計250個邏輯區塊共32MB之使用者資料存放空間轉換至實體邏輯定址0~255合計256個實體記憶區塊之間的轉換關係；依此類推至區段31(Segment31)記錄邏輯定址1984000~2047999，邏輯區塊定址7750~7999合計亦為250個邏輯區塊共32MB之使用者資料存放空間轉換至實體邏輯定址7936~8191合計256個實體記憶區塊之間的轉換關係。

由邏輯定址至實體區塊定址的轉換係採固定連續的轉換關係，藉此透過邏輯區塊定址除以單一區段代表之邏輯區塊數量，即可輕易轉換得知存放該邏輯區塊之區段編 號，進而載入與查找該一區段之轉換對應表取得該實際存放該邏輯區塊使用者資料的實體區塊位址(14)。

然而，一般應用系統常用的檔案系統係針對磁性儲存媒體(例如：硬碟機)所設計，例如微軟作業系統(Windows®)常用之FAT16、FAT32、NTFS等，或Mac OS常用之HFS、HFS+等，於刪除檔案時，其均直接在檔案配置表(Allocation Tabie或Allocation Bit-Map)中直接清除分配之註記，例如在FAT檔案系統下，刪除檔案作業係僅將根目錄或子目錄中標記該檔案之檔案名稱予以刪除，並將該檔案原本佔用的磁叢集鏈結結構(Cluster Chain)予以歸零。

而這樣的作業對習知儲存裝置而言，均係針對特定邏輯位址(Logical Address)執行更新資料之寫入作業，並無法據以得知相關實體位址上所儲存的資料已經無效。對快閃記憶體而言也一樣，且更將導致在進行有效資料的更新作業及進行抹除平均化作業時，受到無效資料佔用實體記憶區塊的影響，產生搬移無效資料的現象，進而影響存取速度以及縮短儲存媒體壽命的現象。

為克服習知技術檔案系統的運作可能造成無效資料佔用實體記憶區塊的問題，本發明提出一種記憶體儲存空間管理方法，透過載入作業系統的常駐程式週期性或是依照使用者指示監控儲存裝置中的儲存空間與檔案系統的資源分配情形，並於檢查到有刪除的無效資料之邏輯位址對應 到一完整的實體區塊時，先讀取邏輯/實體對應表對應到實體區塊位址，並接著產生資料抹除指令給儲存裝置的控制器，接著控制器執行取消該實體區塊與邏輯區塊間的連接關係的步驟，並接著抹除該實體區塊以釋放儲存的空間。最後再儲存完成檢查檔案系統之位置，或是接著根據上述的程序持續執行檔案系統下一個位置的檢查，釋放無效資料佔有儲存裝置之空間。

本發明接著將上述抹除資料的流程應用於儲存空間的管理，利用上述監控系統記憶體與檔案系統運作的常駐程式，或是利用儲存裝置控制器直接執行監控，控制器在檢查檔案系統前需先辨識分割表與其中的檔案系統，若符合支援的型態後，即著手檢查檔案系統，根據分割表、檔案系統的形式檢查邏輯區塊/頁是否有未分配使用的實體記憶區塊。

之後則透過修改L2P對應表去解除邏輯區塊位址與實體區塊位址間的連結關係，並抹除該實體區塊，最後再儲存此次檢查的位置，藉以能改善儲存裝置的存取速度，並延長儲存媒體的使用期限。

在習知檔案系統的運作下，刪除檔案的作業常常僅將目錄中標記該檔案之檔案名稱刪除，並將該檔案原本佔用的磁叢集鏈結結構歸零，而非實際刪除佔用的實體記憶空間，但此方式將會使執行資料更新與寫入時無法得知相關實體位址所儲存的資料的狀態。

為避免或改善上述問題，本發明提出一種記憶體儲存空間管理方法，主要是由應用系統執行一常駐程式，能循序檢查儲存裝置提供之儲存空間與檔案系統分配使用之情形，並於發現未分配使用之空間，且該一連續空間之容量為儲存裝置分配使用之抹除單位容量時，下達專屬指令通知儲存裝置控制器釋放原本分配給該邏輯區塊之實體記憶區塊。

上述常駐程式係於應用系統開機後自動載入，隨時監控儲存空間與檔案系統間的資源分配，以適時釋放佔用而未用的實體記憶區塊，而利用此常駐程式檢查檔案系統釋放可用實體記憶區塊之作業流程如第二圖所示。

當系統(如電腦系統)啟動後(步驟S201)，即載入一用於監控系統記憶體與檔案系統運作的常駐程式(步驟S203)，能於一般運作中能檢查檔案系統釋放儲存裝置中可用實體記憶區塊，包括檢查檔案配置表(Allocation Table)、各目錄下的檔案標記，或各磁叢集鏈結結構(Cluster Chain)的狀態。此常駐程式於啟動時將檢查是否有前次系統的記録，若是第一次啟動系統執行常駐程式，則載入預設值來檢查檔案系統；若非第一次啟動系統執行常駐程式，則載入上次完成的位置以繼續檢查檔案系統。

接著系統開始偵測系統內建或外掛的儲存裝置(步驟S205)，以確認儲存裝置上的控制器是否有支援釋放實體記憶區塊的功能(步驟S207)，若不支援即結束作業(步驟S209)。若偵測後有支援該功能，則接著擷取儲存裝置 的參數(步驟S211)，包括儲存裝置的區塊大小、區塊中記憶頁的數目、記憶頁的大小、製造商或裝置的資訊等。

然後，由檔案系統中下一個位置(因為前一個檢查流程已經完成，接著進行下一個位置的檢查)開始檢查(步驟S213)，並根據分割表(partition table)、檔案系統的形式檢查邏輯區塊/頁是否有未分配使用(free)的實體記憶區塊(步驟S215)，若是沒有任何未分配使用的實體記憶區塊，則儲存本次檢查記錄(步驟S219)，如檢查的位置。

而若是存在有未分配使用的實體記憶區塊，且有連續空間之容量為儲存裝置分配使用之抹除單位容量時，則下達指令釋放其中被無效資料佔用的空間(步驟S217)，並同樣儲存本次檢查記錄(步驟S219)。即完成檢查作業完成，此常駐程式接著即依據設定，在一定時間內進行下一次檢查是否有未分配使用的實體記憶區塊的作業。

第三圖顯示在完成前次檢查作業之後的系統程序，上述之常駐程式將進行一般的判斷規則，包括經過一定時間的延遲或是作業暫停的指令(步驟S301)，判斷此電腦系統是否關閉？(步驟S303)，作將關閉，則結束作業(步驟S309)，若不關閉，此常駐程式則接著判斷是否繼續作業？(步驟S305)，若不繼續作業，則結束(步驟S309)，若繼續則進行下一次檢查作業(步驟S307)。

依據上述流程，本發明所揭露的記憶體儲存空間管理方法將涉及檔案系統中的定址方法，包括利用其中的邏輯位址(LA)、實體區塊位址(PBA)、對應邏輯區塊位址(LBA)與實體區塊位址的邏輯/實體對應表(L2P mapping table)，其中，如第四圖所示之邏輯位址內容示意圖。

邏輯位址中的每一位址代表一個磁區，除了對應到保留的區域之外的部分，另主要包括有系統區(system area)41與資料區(data area)43兩個磁區的位址，其中系統區中係對應包括分割表、基本輸出入系統參數區塊(BIOS Parameter Block, BPB)、檔案系統(如FAT)等的磁區；而資料區則記錄對應儲存資料的磁區，資料係可以叢集(cluster，假設為4K的大小)為單位來定址。本發明利用檢查邏輯區塊/頁判斷是否未分配使用的方法需要考慮邏輯位址之資料區上無效資料的大小，及邏輯與實體位址的對應關係。

再請參考第五圖所示之無效資料之邏輯位址對應至實體區塊示意圖，其中包括實體區塊上的有效資料51,55，無效資料53。此例中，根據檔案系統的資訊發現邏輯位址資料區中的無效資料(53)大小為2個叢集(cluster)，有8K的大小，其邏輯位址經上述L2P轉換表對應至一實體區塊位址，即佔有4個記憶頁(即圖式中記憶頁page n, page n+1, page n+2, page n+3，每個記憶頁2K)之空間，表示實體區塊中的4個記憶頁為無效資料，但該實體區塊中其他記憶頁仍為有效資料。另外，以快閃記憶體為例，其中抹除資料的單位為區塊，而邏輯位址上無效資料的大小可能未滿儲存裝置中一個實體區塊大小，所以不能將還存有有效資料的實體區塊抹除。

接著，再參閱第六圖所示之無效資料之邏輯位址區塊對應至實體區塊示意圖，圖中顯示有三個部分，包括有邏 輯區塊位址(LBA)、邏輯/實體對應表(L2P)與實體區塊位址(PBA)，此邏輯/實體對應表即用於對應邏輯區塊位址與實體區塊位址。

圖中顯示邏輯位址資料區中的無效資料(61，斜線部分)大小有32個叢集，共128K的大小，但此段邏輯區塊位址經L2P對應表轉換對應至實體區塊位址，分配到儲存裝置中兩個實體區塊63,65，此例中，兩個實體區塊63,65中分別包含有有效資料及無效資料(斜線部分)，由於抹除資料的最小單位為區塊(如FAT檔案系統中為128K)，因此仍不可抹除上述同時存有有效資料與無效資料的實體區塊。

上述方法顯示出，若無效資料與有效資料位於同一實體區塊(block)中，則仍無法抹除資料，所以釋放實體區塊的空間的條件，必須在檢查邏輯位址上無效資料的大小外，還需考慮其對應的實體區塊位址。

本發明所提供的記憶體儲存空間管理方法中抹除資料的流程如第七圖所示，主要是利用上述常駐程式週期性或是依照使用者指示監控儲存裝置中的儲存空間與檔案系統的資源分配情形，包括檢查一檔案配置表、各目錄下的檔案標記，或各磁叢集鏈結結構的狀態，以得知該儲存裝置之儲存空間與檔案系統的資源分配情形。

當有刪除的無效資料之邏輯位址對應到一完整的實體區塊時，即有連續空間之容量為儲存裝置分配使用之抹除單位容量時(步驟S701)，表示該區塊可被抹除，即產生一專屬的資料抹除指令給儲存裝置的控制器(步驟 S703)，當控制器接收到此資料抹除指令後，便執行相關步驟，包括取消該實體區塊與邏輯區塊間的連接關係，並抹除該實體區塊以釋放儲存的空間，如以下詳細內容。

接著，儲存裝置控制器則在收到應用系統執行常駐程式下達之資料抹除指令時，檢查該指令所指定之邏輯區塊(步驟S705)，並讀取邏輯/實體對應表(步驟S707)，藉以對應到實體區塊位址，並判斷是否有分配實體記憶區塊，而其仍保存已被刪除無效的資料(步驟S709)，若指令參數所指定之邏輯區塊並沒有分配實體記憶區塊，則此作業結束，而會等到下一次檢查到有無效資料之邏輯位址對應到一實體區塊時，進行下一次流程；若上述指令參數所指定之邏輯區塊有分配實體記憶區塊，則控制器透過更新/修改邏輯/實體對應表來解除該邏輯區塊與該實體區塊的連結關係(步驟S711)。

控制器可在上述對應表中修改該邏輯區塊對應實體區塊關係之記錄，以表示該邏輯區塊並未分配實體記憶區塊，也未記錄保存有效之資料，並將該實體記憶區塊予以抹除(步驟S713)。並且，儲存完成檢查檔案系統之位置(步驟S715)，或是接著根據上述的程序持續執行檔案系統下一個位置的檢查，以釋放無效資料佔有儲存裝置之空間。

藉此流程可釋放無效資料所佔的儲存空間，減少資料更新及執行抹除平均時搬移實體區塊中無效資料的情形，以延長記憶裝置的使用期限。

之後，本發明更將第七圖所示抹除資料的流程應用於記憶體儲存空間管理流程，如第八圖所示之步驟。

當系統啟動後，即載入本發明用於監控系統記憶體與檔案系統運作的常駐程式，此常駐程式用以檢查檔案系統分配使用狀況之作業，但是除此常駐程式以外，亦可由系統之儲存裝置控制器自動執行進行辨識檢查，但是在此儲存裝置上執行辨識的作業則須限於應用系統使用該儲存裝置進行格式化時所採用的檔案系統，換言之，該檔案系統係為儲存裝置內的控制器能夠辨識使用區間是否記錄有效資料(包括是否被分配用於記錄檔案資料，以及檔案是否被刪除)的檔案系統。

所以，於啟動連接至系統的儲存裝置(步驟S801)後，將檢查是否有前次檢查的記錄，若有，則載入預設值來檢查檔案系統；若非第一次啟動，則可載入上次完成的位置。之後，其中的控制器在檢查檔案系統前需先辨識分割表(步驟S803)，識別出儲存裝置的配置之後，再辨識其中檔案系統(步驟S805)，並判斷是否為控制器所支援的檔案系統(步驟S807)，若並非控制器所支援的檔案系統(否)，則結束作業；但是若確認為支援的檔案系統格式(是)，則接著擷取儲存裝置的參數，包括儲存裝置的區塊大小、區塊中記憶頁的數目、記憶頁的大小、製造商或裝置的資訊等。再接著開始檢查檔案系統之使用狀態，由次一位置開始(步驟S809)，包括檢查檔案配置表、各目錄下的檔案標記，或/與各磁叢集鏈結結構的狀態。其中因此次檢查流程之前可能已儲存了前次的檢查結果，故須由下一個記憶 體位址開始檢查。

接著根據分割表、檔案系統的形式檢查邏輯區塊與當中記憶頁是否有未分配使用的實體記憶區塊(步驟S811)，若是沒有任何未分配使用的實體記憶區塊(否)，則至步驟S821，儲存本次檢查記錄，如檢查的位置；若是邏輯區塊/頁有未分配使用的實體記憶區塊(是)，則讀取邏輯/實體對應表(步驟S813)，藉以對應邏輯區塊位址與實體區塊位址，判斷是否有已刪除檔案的邏輯區塊分配實體記憶區塊，其仍保存已被刪除無效的資料(步驟S815)。

於步驟S815的判斷步驟中，若所指定之邏輯區塊並沒有分配實體記憶區塊，則進行步驟S821儲存步驟並作業結束，直到檢查流程發現有未分配使用的實體記憶區塊時進行下一次流程。

但是於步驟S815的步驟中判斷出已刪除檔案的邏輯區塊仍有分配實體記憶區塊，若有且佔一整個實體區塊，則透過修改L2P對應表去解除邏輯區塊位址與實體區塊位址間的連結關係(步驟S817)，並抹除該實體區塊(步驟S819)。

最後，步驟將接著進行儲存此次檢查的位置(步驟S821)，並可經一段時間的延遲後(步驟S823)，再檢查檔案系統之下一位置(步驟S809)，繼續下一階段的記憶體管理流程。

本發明中，所述抹除單位容量不限為記憶休本身的抹除單位容量，亦可為用戶自行定義預設之容量。

綜上所述，本發明為一種記憶體儲存空間管理方法，可利用載入作業系統的常駐程式監控儲存空間與檔案系統分配使用情形，透過修改檔案系統中邏輯區塊與實體區塊的對應表，釋放佔用而未用的實體記憶區塊，能改善儲存裝置的存取速度，並延長儲存媒體的使用期限。

惟以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效結構變化，均同理包含於本發明之範圍內，合予陳明。

邏輯位址‧‧‧11

邏輯區塊位址‧‧‧12

L2P對應表‧‧‧13

實體區塊位址‧‧‧14

系統區‧‧‧41

資料區‧‧‧43

有效資料‧‧‧51,55

無效資料‧‧‧53

無效資料‧‧‧61

實體區塊‧‧‧63, 65

第一圖係為習知技術之邏輯與實體區塊位址對應關係圖；第二圖係為利用常駐程式檢查檔案系統釋放可用實體記憶區塊之作業流程；第三圖完成檢查作業之後的系統程序；第四圖所示為邏輯位址內容示意圖；第五圖所示為無效資料之邏輯位址對應至實體區塊示意圖；第六圖所示為無效資料之邏輯位址區塊對應至實體區塊示意圖；第七圖所示為本發明的記憶體儲存空間管理方法中抹除資料的流程圖；第八圖所示為本發明的記憶體儲存空間管理方法流程圖。

(本案之指定代表圖為流程圖，故無元件代表符號)

Claims (8)

1. 一種記憶體儲存空間管理方法，包括有：監控一儲存裝置中的儲存空間與檔案系統的無效資料分配情形；當無效資料之一邏輯位址對應到的一實體區塊之容量為連續空間之容量且為該儲存裝置之一抹除單位容量時，產生一指令以釋放無效資料所佔用之空間；以及修改一邏輯/實體位址對應表，以取消該實體區塊與該邏輯位址間的連接關係。
2. 如申請專利範圍第1項所述之記憶體儲存空間管理方法，更包括：載入作業系統之常駐程式；檢查一檔案配置表；以及檢查各目錄下的檔案標記，或各磁叢集鏈結結構的狀態。
3. 如申請專利範圍第1項所述之記憶體儲存空間管理方法，其中係利用一該儲存裝置之控制器執行該記憶體儲存空間管理方法之各步驟。
4. 如申請專利範圍第1項所述之記憶體儲存空間管理方法，其中在修改該邏輯/實體位址對應表的步驟之前，判斷該邏輯位址是否有分配該實體區塊；若該邏輯位址有分配該實體區塊，則該控制器執行修改該邏輯/實體位址對應表之步驟，以取消該邏輯位址與該實體區塊的對應關係，並抹除該實體區塊以 釋放無效資料所佔用的空間；若該邏輯位址沒有分配該實體區塊，則作業結束。
5. 如申請專利範圍第4項所述之記憶體儲存空間管理方法，其中在檢查完該邏輯位址沒有分配該實體區塊而作業結束後，儲存檢查後的該邏輯位址。
6. 如申請專利範圍第3項所述之記憶體儲存空間管理方法，還包括該控制器辨識該儲存裝置的一檔案系統，步驟包括：啟動該儲存裝置；判斷該檔案系統是否為該控制器所支援的檔案系統格式；若該檔案系統並非該控制器所支援的檔案系統格式，則結束作業；若確認該檔案系統為該控制器所支援的檔案系統格式，則擷取該儲存裝置的參數。
7. 如申請專利範圍第6項所述之記憶體儲存空間管理方法，其中該儲存裝置之參數包括該儲存裝置的區塊大小、區塊中記憶頁的數目、記憶頁的大小。
8. 如申請專利範圍第6項所述之記憶體儲存空間管理方法，其中於啟動該儲存裝置後，更包括：判斷若是第一次啟動，則載入一預設值來檢查該檔案系統；判斷若非第一次啟動，則載入上次完成的位置以繼續檢查該檔案系統。