TWI539368B - 資料寫入方法與系統 - Google Patents

Description

資料寫入方法與系統

本發明是有關於一種資料寫入方法，且特別是有關於一種將資料寫入具有數類儲存單元之儲存裝置的方法與系統。

所謂的雙碟式儲存系統是以傳統硬碟(Hard Disk Drive，HDD)搭配固態硬碟(Solid State Disk，SSD)所組成，其兼具傳統硬碟之高容量以及固態硬碟之高速度的特點，而逐漸被廣泛使用於電腦系統。

詳言之，固態硬碟雖具有讀寫速度快的優點，但由於其價格高於傳統硬碟許多，因此若僅使用固態硬碟作為儲存媒介，則容易導致儲存系統的成本過高。基此，在講求高儲存容量的儲存系統之中，仍會以傳統硬碟作為主要的儲存媒介，並搭配相對來說容量較小的固態硬碟以作為資料緩存之用。也就是說，大多數的雙碟式儲存系統在接收到電腦系統欲寫入的資料時，會先將資料存入存取速度較快的固態硬碟，待系統空閒時再將資料由固態硬碟搬移至傳統硬碟。據此可確保資料存取速度以及儲存容量都能符合使用者的需求。

然而，正由於雙碟式儲存系統中的固態硬碟只能提供較小的儲存容量，因此如何更有效地將資料寫入以讓使用者更明確感受到固態硬碟的優點，則是相關業者在開發產 品時的重要課題之一。

有鑑於此，本發明提供一種資料寫入方法與系統，能有效改善具有數類儲存單元之儲存裝置的效能、功耗以及裝置壽命。

本發明提出資料寫入方法，用以從主機系統將資料寫入具有第一儲存單元與第二儲存單元的儲存裝置，此方法包括提供應用程式特性資料庫。接收執行於主機系統之應用程式欲將資料寫入儲存裝置的寫入指令。自應用程式特性資料庫取得應用程式所對應的資料存取型態。並且依據資料存取型態與存取管理策略選擇將資料寫入至第一儲存單元或第二儲存單元。

在本發明之一實施例中，其中存取管理策略包括第一儲存單元所對應的第一類存取規則以及第二儲存單元所對應的第二類存取規則。

在本發明之一實施例中，其中資料存取型態包括存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值，而依據資料存取型態與存取管理策略選擇將資料寫入至第一儲存單元或第二儲存單元的步驟包括當存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值符合第一類存取規則時，將資料寫入第一儲存單元。當存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值符合第二類存取規則時，將資料寫入第二儲存單元。

在本發明之一實施例中，其中提供應用程式特性資料庫的步驟包括在特定期間內收集應用程式之存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量的多個實際值。根據上述實際值計算存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值。將存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值記錄於應用程式特性資料庫。

在本發明之一實施例中，此資料寫入方法更包括根據寫入指令的內容更新記錄在應用程式特性資料庫中應用程式所對應的資料存取型態。並且，定期依據儲存裝置的運作表現修正第一類存取規則及/或第二類存取規則。

在本發明之一實施例中，其中第一儲存單元為快閃記憶體儲存單元，且第一類存取規則至少包括高存取頻率門檻值與隨機存取模式，而第二儲存單元為磁碟片儲存單元，且第二類存取規則至少包括大檔案容量下限值與連續存取模式。

從另一觀點來看，本發明提出一種資料寫入系統，包括相互耦接的應用程式特性資料庫以及決策模組。其中，決策模組在接收執行於主機系統之應用程式欲將一資料寫入儲存裝置的寫入指令時，自應用程式特性資料庫取得應用程式所對應的資料存取型態，並且依據資料存取型態與存取管理策略選擇將資料寫入至儲存裝置的第一儲存單元或第二儲存單元。

在本發明之一實施例中，其中存取管理策略包括第一儲存單元所對應的第一類存取規則以及第二儲存單元所對 應的第二類存取規則。

在本發明之一實施例中，其中資料存取型態包括存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值，而決策模組在存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值符合第一類存取規則時，選擇將資料寫入第一儲存單元。並且，決策模組在存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值符合第二類存取規則時，選擇將資料寫入第二儲存單元。

在本發明之一實施例中，資料寫入系統更包括資料庫建立模組，其耦接至應用程式特性資料庫。資料庫建立模組在一特定期間內收集應用程式之存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量的多個實際值，根據上述實際值計算存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值，以及將存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值記錄於應用程式特性資料庫。

在本發明之一實施例中，其中決策模組根據寫入指令的內容更新記錄在應用程式特性資料庫中應用程式所對應的資料存取型態，並定期依據儲存裝置的運作表現修正第一類存取規則及/或第二類存取規則。

在本發明之一實施例中，其中第一儲存單元為快閃記憶體儲存單元，且第一類存取規則至少包括高存取頻率門檻值與隨機存取模式，而第二儲存單元為磁碟片儲存單元，且第二類存取規則至少包括大檔案容量下限值與連續存取模式。

基於上述，本發明所述之資料寫入方法與系統能適當地選擇將資料寫入儲存裝置的第一儲存單元或第二儲存單元，據此發揮不同類型之儲存單元的優勢，以提升儲存裝置的整體效能，同時達到有效控管儲存裝置的耗電量並延長裝置使用壽命的目的。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本發明之一實施例所繪示之資料寫入系統的使用示意圖。請參閱圖1，資料寫入系統100係配置於主機系統10。在本實施例中，主機系統10可以是桌上型電腦、筆記型電腦、平板電腦，或各種具備運算處理能力的電子裝置，在此並不限制其種類。作業系統13係用以管理主機系統10的硬體及軟體資源，而其餘可執行於主機系統10的應用程式(application)15₁至15_n(n為正整數)則必須透過作業系統13來使用主機系統10的硬體資源。

儲存裝置20可內建於主機系統10，或透過傳輸線外接於主機系統10。詳言之，儲存裝置20具有第一儲存單元21與第二儲存單元23，其中第一儲存單元21與第二儲存單元23分別採用不同類型的儲存媒介。為了方便說明，在以下的實施例中均假設第一儲存單元21是以快閃記憶體(flash memory)作為儲存媒介的快閃記憶體儲存單元，例如固態硬碟(Solid State Disk，SSD)，而第二儲存單元 23則是以磁碟片作為儲存媒介的磁碟片儲存單元，例如硬碟(Hard Disk Drive，HDD)。也就是說，第一儲存單元21的資料存取速度會高於第二儲存單元23。然而基於成本考量，在儲存裝置20中第二儲存單元23的容量則大於第一儲存單元21。

資料寫入系統100用以將來自主機系統10的資料寫入至儲存裝置20，特別是將應用程式15₁至15_n所產生的資料寫入儲存裝置20。如圖1所示，資料寫入系統100包括應用程式特性資料庫110、決策模組120與資料庫建立模組130。其中，決策模組120與資料庫建立模組130個別耦接至應用程式特性資料庫110。資料寫入系統100之各構件的功能茲分述如下： 應用程式特性資料庫110用以記錄安裝於主機系統10之各種應用程式15₁至15_n與其資料存取型態。在本實施例中，應用程式特性資料庫110是由資料庫建立模組130收集應用程式15₁至15_n的實際執行狀況所建立而成。然而在其他實施例中，應用程式特性資料庫110也可以是由主機系統10的製造商所提供，並由使用者自行將其載入資料寫入系統100。

決策模組120用以在執行於主機系統10的任一應用程式欲將資料寫入儲存裝置20時，根據應用程式特性資料庫110提供的資訊來預測此應用程式對於儲存裝置20的讀寫需求，並據以決定要將資料寫入第一儲存單元21或第二儲存單元23。透過決策模組120的運作能發揮不同類型之 儲存單元的優點。例如，適時利用第一儲存單元21所具有的高存取速度來降低使用者等待資料存取的時間，並利用第二儲存單元23價格較低廉之優點，提高儲存裝置20的儲存容量以滿足使用者對儲存容量的需求。

在本實施例中，決策模組120可為具有處理能力的硬體元件，例如中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)或微處理器(Microprocessor)等，或是由邏輯閘及相關電路所構成。在又一實施例中，決策模組120也可以是具有邏輯運算及處理能力的軟體元件(例如應用程式)。在其他實施例中，決策模組120也可以是前述硬體元件及軟體元件的組合。

以下將以圖1搭配圖2來說明本實施例之資料寫入系統100的詳細運作方式。請同時參閱圖1及圖2。

首先如步驟S210所示，提供應用程式特性資料庫110。具體來說，由於不同類型的應用程式在使用上往往對應不同的資料存取型態，例如多媒體播放應用程式所存取的多半是較大且連續的檔案，而文書處理應用程式相對來說則常存取較小的檔案。舉例來說，圖3是關於試算表應用程式、文書處理應用程式、電子郵件應用程式、簡報應用程式，以及影像編輯應用程式分別之於不同資料存取型態的表現。請參閱圖3，在隨機讀取的資料量不超過16千位元組(KiloByte，KB)的這類資料存取型態中，文書處理應用程式的比例高於其他應用程式，表示由文書處理應用程式建立的資料在日後讀取上多為小容量的隨機讀取。 而在連續讀取的這類資料存取型態中，影像編輯應用程式的比例遠高於其他應用程式，表示由影像編輯應用程式建立的資料在日後讀取上多為連續讀取。為了能針對各應用程式的特性來選擇適用的儲存單元，針對可執行於主機系統10的應用程式15₁至15_n，資料庫建立模組130將在一段特定期間內收集各應用程式執行時的資料存取型態。例如收集存取頻率、檔案大小、單一讀取或寫入指令所對應的存取資料量等各種資料存取型態的實際值。再根據上述實際值計算每一應用程式之存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值，並將上述統計值記錄於應用程式特性資料庫以做為應用程式的資料存取型態。

爾後，當執行於主機系統10的某一應用程式(例如，應用程式15₁)欲將資料寫入儲存裝置20時，作業系統13會將寫入指令與欲寫入的資料傳送給決策模組120，故如步驟S220所示，決策模組120接收到應用程式15₁欲將資料寫入儲存裝置的寫入指令。

接著在步驟S230中，決策模組120自應用程式特性資料庫110取得應用程式15₁所對應的資料存取型態，包括存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值。並且如步驟S240所示，決策模組120依據資料存取型態與一存取管理策略選擇將資料寫入至儲存裝置20的第一儲存單元21或第二儲存單元23。

在本實施例中，存取管理策略包括第一儲存單元21所對應的第一類存取規則以及第二儲存單元23所對應的 第二類存取規則。進一步來說，當第一儲存單元21為快閃記憶體儲存單元，第一類存取規則至少包括高存取頻率門檻值與隨機存取模式，當第二儲存單元23為磁碟片儲存單元，第二類存取規則至少包括大檔案容量下限值與連續存取模式。

圖4是依照本發明之一實施例所繪示之依據資料存取型態與存取管理策略選擇將資料寫入第一或第二儲存單元的流程圖。

如圖4之步驟S410所示，決策模組120會判斷應用程式15₁之存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值是符合第一類存取規則或第二類存取規則。當符合第一類存取規則時，如步驟S420所示，決策模組120選擇將資料寫入第一儲存單元21。而在符合第二類存取規則時，如步驟S430所示，決策模組120選擇將資料寫入第二儲存單元23。

舉例來說，在一實施例中，決策模組120將取自應用程式特性資料庫110之存取頻率的統計值與高存取頻率門檻值進行比較。若存取頻率到達高存取頻率門檻值，則判斷應用程式15₁可能經常有高頻率的寫入及讀取操作，故決策模組120會選擇具有高讀寫速度的第一儲存單元21來儲存資料。反之，便以第二儲存單元23來儲存資料。例如，當使用者利用文書處理應用程式或試算表應用程式來撰寫報告或記錄實驗數據時，由於這些檔案在近期內再被讀取或修改的機會較高，因此將資料寫入第一儲存單元21 能大幅縮短使用者等待檔案開啟的時間。

在另一實施例中，決策模組120將取自應用程式特性資料庫110之檔案大小的統計值與大檔案容量下限值進行比較。若檔案大小到達大檔案容量下限值，決策模組120將選擇以第二儲存單元23來儲存資料，以避免大檔案太快將第一儲存單元21的可用空間耗盡。舉例來說，高畫質影片的檔案大小動輒數十億位元組(GigaByte，GB)，且通常在儲存之後被使用者經常再讀取或編輯的機會不大。倘若都將這類檔案存入容量較小的第一儲存單元21，則很快便無法利用第一儲存單元21的快速讀寫能力來處理後續欲寫入及讀取的資料。而倘若將其存入容量高出第一儲存單元21許多的第二儲存單元23則可避免上述情況，且由於這類檔案日後被存取的次數較不頻繁，故即便第二儲存單元23的存取速度較慢，對使用者來說也不會明顯感受到差異。

此外，由於快閃記憶體儲存單元是以實體區塊作為資料抹除的單位，並以實體頁面作為資料寫入的單位。而每一實體區塊會包括數個實體頁面。因此當決策模組120選擇要將資料寫入第一儲存單元21時，則可以進一步判斷欲寫入的資料是否超過一個實體區塊的容量，若是，則以整塊區塊寫入(Entire Block Write，EBW)的方式來將資料以連續的方式寫入，以提升資料寫入速度。反之，倘若欲寫入的資料未超過一個實體區塊的容量，則以一般方式將資料寫入。

在又一實施例中，決策模組120根據取自應用程式特性資料庫110之單一指令存取資料量的統計值來判斷應用程式15₁是較常採用隨機存取模式或連續存取模式。舉例來說，在隨機存取模式下每一指令的存取資料量多半不超過16千位元組，因此倘若取自應用程式特性資料庫110的單一指令存取資料量的統計值小於上述門檻值，則決策模組120判斷應用程式15₁較常採用隨機存取模式，故選擇以存取速度較快的第一儲存單元21來儲存應用程式15₁欲寫入之資料。反之，決策模組120判斷應用程式15₁較常採用連續存取模式，由於在連續存取模式下，第一儲存單元21之高存取速度的優勢較不易完全展現，因此決策模組120將選擇以第二儲存單元23來儲存應用程式15₁欲寫入之資料。

值得一提的是，決策模組120會根據每次接收到之寫入指令的內容來更新記錄在應用程式特性資料庫110中相對應之應用程式的資料存取型態。例如，調整存取頻率、檔案大小與單一指令存取資料量個別的統計值。並且，決策模組120會定期依據儲存裝置20的運作表現來修正第一類存取規則及/或第二類存取規則。

舉例來說，假設應用程式特性資料庫110所記錄之文書處理應用程式的資料存取型態係符合第一類存取規則，那麼決策模組120會選擇將文書處理應用程式所產生的資料寫入第一儲存單元21。然而，倘若一使用者每次利用文書處理應用程式所建立的檔案都超過大檔案容量下限值， 在依照既有規則將文書處理應用程式建立的檔案都寫入第一儲存單元21後，儲存裝置20會將第一儲存單元21之可用空間被快速耗盡的訊息回傳給決策模組120，基此，決策模組120可得知目前的存取規則並不適用於該使用者的使用習慣，進而會調整存取規則的內容來確保之後文書處理應用程式所建立的檔案會被寫入第二儲存單元23，而不再是寫入第一儲存單元21。也就是說，儲存裝置20在配合決策模組120的控制而寫入資料後，亦會在資料存取的過程中主動偵測第一儲存單元21及第二儲存單元23的使用表現，並將其回饋給決策模組120，據以讓決策模組120依據儲存裝置20所回報的資訊來更新第一類存取規則及/或第二類存取規則，以符合個別使用者的使用習慣。

在上述實施例中，決策模組120能根據應用程式特性資料庫110提供的資訊來決定將應用程式15₁欲寫入的資料寫入第一儲存單元21或第二儲存單元23。進一步來說，決策模組120能依據應用程式15₁的資料存取型態有效率地分配空間以及管理寫入的檔案，並且盡可能地將檔案以連續的方式讀寫，減少因隨機存取而所造成的速度下降，據此得到更佳的讀寫表現。

從另一方面來看，透過決策模組120的上述運作方式也能夠減少以快閃記憶體做為儲存媒介之第一儲存單元21中的零碎空間(fragmented space)產生，直接降低垃圾回收(Garbage Collection，GC)的頻率與成本，並有效抑制寫入放大因子(Write Amplification Factor，WAF)，降 低第一儲存單元21中的記憶胞的抹除次數(Erase count)，使得第一儲存單元21的壽命得以延長，並提升其可靠度。

再者，由於在讀寫相同的外部工作量條件之下，決策模組120的運作能有效降低第一儲存單元21的實際寫入次數。且對第一儲存單元21來說，由於其受到小容量的限制，若無法妥善分配儲存空間，則必定會很快面臨到容量不足的困境，而為了解決此種困境，就必須頻繁地做內部垃圾回收、資料搬移以及將檔案回存至其他儲存裝置中，如此一來，讀寫與抹除的操作就會更為頻繁，同時也變得更加耗電，因此藉由有效率地寫入檔案亦能使其在功耗表現上有所改善。

綜上所述，本發明所述之資料寫入方法與系統能依據應用程式的資料存取型態選擇不同類型的儲存單元來儲存應用程式欲寫入的資料。據此確保儲存裝置在讀寫表現、可靠度，以及電源功耗等方面都有大幅進步，進而讓使用者同時享受不同類型之儲存媒介所帶來的優勢。

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，任何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，當可作些許之更動與潤飾，故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。

10‧‧‧主機系統

13‧‧‧作業系統

15₁、15_n‧‧‧應用程式

20‧‧‧儲存裝置

21‧‧‧第一儲存單元

23‧‧‧第二儲存單元

100‧‧‧資料寫入系統

110‧‧‧應用程式特性資料庫

120‧‧‧決策模組

130‧‧‧資料庫建立模組

S210~S240‧‧‧本發明之一實施例所述之資料寫入方法的各步驟

S410~S430‧‧‧本發明之一實施例所述之依據資料存取型態與存取管理策略選擇將資料寫入第一或第二儲存單元的各步驟

圖1是依照本發明之一實施例所繪示之資料寫入系統的使用示意圖。

圖2是依照本發明之一實施例所繪示之資料寫入方法的流程圖。

圖3是依照本發明之一實施例所繪示之應用程式與存取型態的長條圖。

圖4是依照本發明之一實施例所繪示之依據資料存取型態與存取管理策略選擇將資料寫入第一或第二儲存單元的流程圖。

S210~S240‧‧‧本發明之一實施例所述之資料寫入方法的各步驟

Claims (10)

1. 一種資料寫入方法，用以從一主機系統將一資料寫入具有一第一儲存單元與一第二儲存單元的一儲存裝置，該方法包括：提供一應用程式特性資料庫；接收執行於該主機系統之一應用程式欲將該資料寫入該儲存裝置的一寫入指令；自該應用程式特性資料庫取得該應用程式所對應的一資料存取型態；以及依據該資料存取型態與一存取管理策略選擇將該資料寫入至該第一儲存單元或該第二儲存單元，其中該存取管理策略包括該第一儲存單元所對應的一第一類存取規則以及該第二儲存單元所對應的一第二類存取規則；定期依據該儲存裝置的一運作表現修正該第一類存取規則及/或該第二類存取規則。
2. 如申請專利範圍第1項所述之資料寫入方法，其中該資料存取型態包括一存取頻率、一檔案大小與一單一指令存取資料量個別的一統計值，而依據該資料存取型態與該存取管理策略選擇將該資料寫入至該第一儲存單元或該第二儲存單元的步驟包括：當該存取頻率、該檔案大小與該單一指令存取資料量個別的該統計值符合該第一類存取規則時，將該資料寫入該第一儲存單元；以及當該存取頻率、該檔案大小與該單一指令存取資料量 個別的該統計值符合該第二類存取規則時，將該資料寫入該第二儲存單元。
3. 如申請專利範圍第2項所述之資料寫入方法，其中提供該應用程式特性資料庫的步驟包括：在一特定期間內收集該應用程式之該存取頻率、該檔案大小與該單一指令存取資料量的多個實際值；根據該些實際值計算該存取頻率、該檔案大小與該單一指令存取資料量個別的該統計值；以及將該存取頻率、該檔案大小與該單一指令存取資料量個別的該統計值記錄於該應用程式特性資料庫。
4. 如申請專利範圍第1項所述之資料寫入方法，更包括：根據該寫入指令的內容更新記錄在該應用程式特性資料庫中該應用程式所對應的該資料存取型態。
5. 如申請專利範圍第1項所述之資料寫入方法，其中該第一儲存單元為一快閃記憶體儲存單元，且該第一類存取規則至少包括一高存取頻率門檻值與一隨機存取模式，而該第二儲存單元為一磁碟片儲存單元，且該第二類存取規則至少包括一大檔案容量下限值與一連續存取模式。
6. 一種資料寫入系統，包括：一應用程式特性資料庫；以及一決策模組，耦接該應用程式特性資料庫，該決策模組在接收執行於一主機系統之一應用程式欲將一資料寫入一儲存裝置的一寫入指令時，自該應用程式特性資料庫取 得該應用程式所對應的一資料存取型態，並且依據該資料存取型態與一存取管理策略選擇將該資料寫入至該儲存裝置的一第一儲存單元或一第二儲存單元，其中該存取管理策略包括該第一儲存單元所對應的一第一類存取規則以及該第二儲存單元所對應的一第二類存取規則，其中該決策模組定期依據該儲存裝置的一運作表現修正該第一類存取規則及/或該第二類存取規則。
7. 如申請專利範圍第6項所述之資料寫入系統，其中該資料存取型態包括一存取頻率、一檔案大小與一單一指令存取資料量個別的一統計值，而該決策模組在該存取頻率、該檔案大小與該單一指令存取資料量個別的該統計值符合該第一類存取規則時，選擇將該資料寫入該第一儲存單元，該決策模組在該存取頻率、該檔案大小與該單一指令存取資料量個別的該統計值符合該第二類存取規則時，選擇將該資料寫入該第二儲存單元。
8. 如申請專利範圍第7項所述之資料寫入系統，更包括：一資料庫建立模組，耦接該應用程式特性資料庫，該資料庫建立模組在一特定期間內收集該應用程式之該存取頻率、該檔案大小與該單一指令存取資料量的多個實際值，根據該些實際值計算該存取頻率、該檔案大小與該單一指令存取資料量個別的該統計值，以及將該存取頻率、該檔案大小與該單一指令存取資料量個別的該統計值記錄 於該應用程式特性資料庫。
9. 如申請專利範圍第7項所述之資料寫入系統，其中該決策模組根據該寫入指令的內容更新記錄在該應用程式特性資料庫中該應用程式所對應的該資料存取型態。
10. 如申請專利範圍第6項所述之資料寫入系統，其中該第一儲存單元為一快閃記憶體儲存單元，且該第一類存取規則至少包括一高存取頻率門檻值與一隨機存取模式，而該第二儲存單元為一磁碟片儲存單元，且該第二類存取規則至少包括一大檔案容量下限值與一連續存取模式。