專利名稱：一種基于負(fù)載控制的提高閃存固態(tài)硬盤持久性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提高基于固態(tài)硬盤的存儲(chǔ)系統(tǒng)持久性的方法，尤其是在多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)中通過控制負(fù)載分流和負(fù)載寫入時(shí)間間隔來提高閃存固態(tài)硬盤持久性，確保閃存固態(tài)硬盤持久性達(dá)到用戶預(yù)期要求的方法。
背景技術(shù)：
近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，存儲(chǔ)應(yīng)用的需求不斷提高。閃存固態(tài)硬盤以其卓越的響應(yīng)速率和低能耗成為新一代存儲(chǔ)系統(tǒng)中日益重要的組成部分。然而，閃存固態(tài)硬盤成本較高，且擦寫次數(shù)有限。閃存固態(tài)硬盤的持久性是指其每個(gè)比特位的擦除次數(shù)有上限，當(dāng)超過此上限后，該比特位出錯(cuò)率大幅上升直至不可使用。因而如何提高其持久性從而降低成本成為存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問題。在典型的基于閃存固態(tài)硬盤的多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)中，閃存固態(tài)硬盤通常作為多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)中的一級(jí)，數(shù)據(jù)首先在內(nèi)存中緩沖，然后寫入閃存固態(tài)硬盤，由于閃存固態(tài)硬盤的容量有限，數(shù)據(jù)最終會(huì)從閃存固態(tài)硬盤移到機(jī)械磁盤，這就造成了閃存固態(tài)硬盤的數(shù)據(jù)擦除，當(dāng)這種擦除達(dá)到閃存固態(tài)硬盤的額定上限后，閃存固態(tài)硬盤的壽命用盡。目前常見的提高閃存固態(tài)硬盤持久性方法包括I)基于閃存轉(zhuǎn)換層(FTL)的提高持久性方法。FTL是閃存固態(tài)硬盤設(shè)備自帶的軟件管理層，位于硬盤設(shè)備上，負(fù)責(zé)管理固態(tài)硬盤上的閃存芯片。數(shù)據(jù)寫入硬盤后，F(xiàn)TL對(duì)其進(jìn)行虛實(shí)地址映射，實(shí)現(xiàn)原地址更新、垃圾回收、擦寫均衡等功能，并采用改進(jìn)地址映射方式、數(shù)據(jù)放置策略、垃圾回收機(jī)制等方法提高硬盤持久性。這類方法的缺點(diǎn)是，由于FTL位于硬盤設(shè)備上，因此基于FTL的方法是在硬盤設(shè)備層優(yōu)化持久性，不能從根本上減輕硬盤的負(fù)載壓力，只能在既定負(fù)載下盡力提高硬盤壽命。2)基于輸入輸出(IO)模式的提高持久性方法。這類方法是通過改進(jìn)上層系統(tǒng)對(duì)閃存固態(tài)硬盤的IO方式，感知閃存固態(tài)硬盤設(shè)備隨機(jī)讀取速度高、隨機(jī)寫入速度低、更新開銷大等特點(diǎn)，將不適合閃存固態(tài)硬盤的IO訪問轉(zhuǎn)換為其適合的IO模式，從而最大限度發(fā)揮閃存固態(tài)硬盤的優(yōu)勢(shì)同時(shí)避開其劣勢(shì)?，F(xiàn)有的很多研究通過改進(jìn)數(shù)據(jù)的組織和索引結(jié)構(gòu)、采用緩沖和批處理方法、采用順序添加或環(huán)形槽機(jī)制等，優(yōu)化系統(tǒng)IO模式，提高閃存固態(tài)硬盤持久性。這一類方法在系統(tǒng)層優(yōu)化負(fù)載寫入方式，可減輕閃存固態(tài)盤的負(fù)載，但和上一類方法一樣，依然只能盡力增加閃存固態(tài)硬盤的持久性，不能保證硬盤使用壽命達(dá)到用戶指定的時(shí)間。3)基于負(fù)載控制的提高持久性方法。基于FTL和基于IO模式的持久化方法只能盡力延長(zhǎng)閃存固態(tài)硬盤的壽命，不能保證其使用壽命達(dá)到用戶預(yù)設(shè)的要求，而基于負(fù)載控制的方法可很好地解決這個(gè)問題。韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)和三星電子于2012年聯(lián)合提出了一種基于負(fù)載控制的提高持久性方法，步驟如下第一步根據(jù)閃存固態(tài)硬盤的最大擦寫能力和用戶期望壽命(用戶自己設(shè)定的希望閃存固態(tài)硬盤使用的時(shí)間壽命)，計(jì)算出單位時(shí)間的額定寫入負(fù)載量；
第二步記錄單位時(shí)間的負(fù)載寫入量，當(dāng)達(dá)到額定量時(shí)，停止寫入，從而保證在期望壽命到達(dá)前總寫入負(fù)載不會(huì)超過固態(tài)盤報(bào)銷上限。第三步根據(jù)歷史負(fù)載寫入情況和閃存自恢復(fù)性，動(dòng)態(tài)調(diào)整單位時(shí)間寫入門限?；谪?fù)載控制的方法可保證達(dá)到用戶的期望壽命，如韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)和三星電子提出的方法，但該方法未考慮存儲(chǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和IO模式，未能對(duì)負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)系統(tǒng)讀寫響應(yīng)性能的影響較大。如何保證對(duì)系統(tǒng)讀寫響應(yīng)性能的影響小的條件下提高閃存固態(tài)硬盤持久性是本領(lǐng)域技術(shù)人員極為關(guān)注的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)基于固態(tài)硬盤的存儲(chǔ)系統(tǒng)中的持久性問題， 提出通過控制負(fù)載分流和負(fù)載寫入時(shí)間間隔來提高閃存固態(tài)硬盤持久性的方法，既保證閃存固態(tài)硬盤達(dá)到用戶提出的合理期望壽命，又減小對(duì)系統(tǒng)讀寫響應(yīng)性能的影響。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為第一步，構(gòu)建分流緩沖持久性保障系統(tǒng)在內(nèi)存中建立分流緩沖器，分流緩沖器分為三個(gè)區(qū)候選區(qū)、緩沖區(qū)和溢出區(qū)。每條數(shù)據(jù)大小相等，寫入的數(shù)據(jù)按到達(dá)時(shí)間順序先放置在候選區(qū)，候選區(qū)裝滿后從候選區(qū)移入緩沖區(qū)，緩沖區(qū)裝滿后從緩沖區(qū)移入溢出區(qū)。閃存固態(tài)硬盤通過主板上的外部設(shè)備擴(kuò)展接口(PCI)連接中央處理器(CPU)。閃存固態(tài)硬盤上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以塊(Block)為單位進(jìn)行寫入和擦除。分流緩沖器中的三個(gè)區(qū)都與Block大小相等。第二步，在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)應(yīng)用層安裝主控軟件，由主控軟件對(duì)分流緩沖器、閃存固態(tài)硬盤、機(jī)械磁盤的讀寫進(jìn)行控制，并在內(nèi)存中建立各種計(jì)數(shù)器模塊 分流緩沖器計(jì)時(shí)器，用于記錄從上次分流緩沖器刷寫數(shù)據(jù)到當(dāng)前時(shí)刻經(jīng)過了多久； 分流緩沖器熱度記錄器，用于記錄分流緩沖器中的每個(gè)數(shù)據(jù)的熱度，分流緩沖器第m條數(shù)據(jù)的熱度記為Cm，每當(dāng)該條數(shù)據(jù)被訪問一次時(shí)，它對(duì)應(yīng)的熱度Cm加1，m為正整數(shù)。 閃存固態(tài)硬盤熱度記錄器，用于記錄閃存固態(tài)硬盤中存儲(chǔ)的每個(gè)Block的熱度，每當(dāng)某個(gè)Block中的任意一條數(shù)據(jù)被訪問一次，該Block的熱度加I ; 閃存固態(tài)硬盤計(jì)時(shí)器，用于記錄每個(gè)Block數(shù)據(jù)在閃存固態(tài)硬盤中存放了多久； 熱度閥值C，當(dāng)數(shù)據(jù)熱度小于C時(shí)將該數(shù)據(jù)從分流緩沖器移出寫入機(jī)械磁盤。C的值將在第三步初始化中進(jìn)行設(shè)定。第三步，由主控軟件對(duì)分流緩沖持久性保障系統(tǒng)進(jìn)行初始化3.1根據(jù)所使用的閃存固態(tài)硬盤設(shè)備信息設(shè)定最大擦除次數(shù)PE (約為每數(shù)據(jù)位3000次)，并根據(jù)用戶需求和負(fù)載情況設(shè)定一個(gè)期望壽命Le (約為8*107到15*107秒)。3. 2讀取當(dāng)前內(nèi)核時(shí)間，記為開始時(shí)間3. 3對(duì)各計(jì)數(shù)器模塊賦值將分流緩沖器計(jì)時(shí)器初始化為0并開始計(jì)時(shí)；將分流緩沖器熱度記錄器、閃存固態(tài)硬盤熱度記錄器、閃存固態(tài)硬盤計(jì)時(shí)器、熱度閥值C均初始化為0,令變量m = 0 ；3. 4將分流緩沖器中的三個(gè)區(qū)清空。第四步，采用以下方法對(duì)閃存固態(tài)硬盤進(jìn)行持久性保證。4.1計(jì)算負(fù)載寫入最小間隔時(shí)間
權(quán)利要求
1.一種基于負(fù)載控制的提高閃存固態(tài)硬盤持久性方法，其特征在于包括以下步驟第一步，構(gòu)建分流緩沖持久性保障系統(tǒng)在內(nèi)存中建立分流緩沖器，分流緩沖器分為三個(gè)區(qū)候選區(qū)、緩沖區(qū)和溢出區(qū)；寫入的數(shù)據(jù)按到達(dá)時(shí)間順序先放置在候選區(qū)，候選區(qū)裝滿后從候選區(qū)移入緩沖區(qū)，緩沖區(qū)裝滿后從緩沖區(qū)移入溢出區(qū)；閃存固態(tài)硬盤通過主板上的外部設(shè)備擴(kuò)展接口 PCI連接中央處理器CPU ； 第二步，在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)應(yīng)用層安裝主控軟件，由主控軟件對(duì)分流緩沖器、閃存固態(tài)硬盤、機(jī)械磁盤的讀寫進(jìn)行控制，并在內(nèi)存中建立各種計(jì)數(shù)器模塊，包括 分流緩沖器計(jì)時(shí)器，用于記錄從上次分流緩沖器刷寫數(shù)據(jù)到當(dāng)前時(shí)刻經(jīng)過了多久； 分流緩沖器熱度記錄器，用于記錄分流緩沖器中每個(gè)數(shù)據(jù)的熱度，分流緩沖器第m條數(shù)據(jù)的熱度記為Cm，每當(dāng)該條數(shù)據(jù)被訪問一次時(shí)，它對(duì)應(yīng)的熱度Cm加1，m為正整數(shù)； 閃存固態(tài)硬盤熱度記錄器，用于記錄閃存固態(tài)硬盤中存儲(chǔ)的每個(gè)Block的熱度，每當(dāng)某個(gè)Block中的任意一條數(shù)據(jù)被訪問一次，該Block的熱度加I ; 閃存固態(tài)硬盤計(jì)時(shí)器，用于記錄每個(gè)Block數(shù)據(jù)在閃存固態(tài)硬盤中存放了多久； 熱度閥值C，當(dāng)數(shù)據(jù)熱度小于C時(shí)將該數(shù)據(jù)從分流緩沖器移出寫入機(jī)械磁盤； 第三步，由主控軟件對(duì)分流緩沖持久性保障系統(tǒng)進(jìn)行初始化 .3.1根據(jù)所使用的閃存固態(tài)硬盤設(shè)備信息設(shè)定最大擦除次數(shù)PE，并根據(jù)用戶需求和負(fù)載情況設(shè)定一個(gè)期望壽命Le ； .3.2讀取當(dāng)前內(nèi)核時(shí)間，記為開始時(shí)間h ； .3.3對(duì)各計(jì)數(shù)器模塊賦值將分流緩沖器計(jì)時(shí)器初始化為O并開始計(jì)時(shí)；將分流緩沖器熱度記錄器、閃存固態(tài)硬盤熱度記錄器、閃存固態(tài)硬盤計(jì)時(shí)器、熱度閥值C均初始化為0，令變量m = O ； .3.4將分流緩沖器中的三個(gè)區(qū)清空； 第四步，采用以下方法對(duì)閃存固態(tài)硬盤進(jìn)行持久性保證 .4.1計(jì)算負(fù)載寫入最小間隔時(shí)間TH，
2.如權(quán)利要求1所述的基于負(fù)載控制的提高閃存固態(tài)硬盤持久性方法，其特征在于 Block所述分流緩沖器中的三個(gè)區(qū)都與Block大小相等，Block是閃存固態(tài)硬盤上存儲(chǔ)的數(shù) 據(jù)單位，即塊。
3.如權(quán)利要求1所述的基于負(fù)載控制的提高閃存固態(tài)硬盤持久性方法，其特征在于最 大擦除次數(shù)PE設(shè)定為每數(shù)據(jù)位3000次，期望壽命LE設(shè)定為8*107到15*107秒。
4.如權(quán)利要求1所述的基于負(fù)載控制的提高閃存固態(tài)硬盤持久性方法，其特征在于計(jì) 算候選區(qū)單位時(shí)間熱度的方法是將分流緩沖器熱度記錄器中記錄的候選區(qū)中所有數(shù)據(jù)的 熱度求和，得到候選區(qū)數(shù)據(jù)總熱度，將數(shù)據(jù)總熱度除以TSB得到候選區(qū)單位時(shí)間熱度；計(jì)算 閃存固態(tài)硬盤中每個(gè)Block的單位時(shí)間熱度的方法是用閃存固態(tài)硬盤熱度記錄器中每個(gè) Block的熱度除以閃存固態(tài)硬盤計(jì)時(shí)器中對(duì)應(yīng)的Block存放時(shí)間，得到閃存固態(tài)硬盤中每 個(gè)Block的單位時(shí)間熱度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于負(fù)載控制的提高閃存固態(tài)硬盤持久性方法，目的是提出一種通過控制負(fù)載分流和負(fù)載寫入時(shí)間間隔來提高閃存固態(tài)硬盤持久性的方法，既保證閃存固態(tài)硬盤達(dá)到用戶提出的合理期望壽命，又減小對(duì)系統(tǒng)讀寫響應(yīng)性能的影響。技術(shù)方案是先構(gòu)建分流緩沖持久性保障系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)應(yīng)用層安裝主控軟件，由主控軟件對(duì)分流緩沖持久性保障系統(tǒng)進(jìn)行初始化，通過控制負(fù)載分流和負(fù)載寫入時(shí)間間隔對(duì)閃存固態(tài)硬盤進(jìn)行持久性保證。采用本發(fā)明既可有效提高閃存固態(tài)硬盤的持久性，保證硬盤使用時(shí)間達(dá)到用戶預(yù)期壽命要求，又可提高閃存固態(tài)硬盤利用率。
文檔編號(hào)G06F3/06GK103019615SQ201210251408
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者張菁, 廖湘科, 任怡, 吳慶波, 易曉東, 何連躍, 戴華東, 管劍波 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)