[发明专利]基于固态存储介质的存储系统及方法、冷热数据识别方法

说明书

技术领域

本发明属于数据存储技术领域，涉及一种存储系统，尤其涉及一种基于固态存储介质(solid state media)的存储系统；同时，本发明还涉及一种基于固态存储介质的存储方法；此外，本发明还涉及一种存储系统的冷热数据识别方法。 

背景技术

基于闪存(NAND Flash)的数据存储技术在过去十几年发展迅速，在很多应用中逐渐取代了传统的磁记录硬盘(hard disk drive,HDD)。主要原因有： 

（1）速度快：基于闪存的数据存储不象传统HDD依靠磁头机械寻址，从而在数据读写速度上有本质性的提高，满足了应用对数据存储吞吐速度的日趋严格的需求 

（2）价格下降：随着半导体技术的进步，闪存的容量也随着摩尔定律每不到两年增加一倍，单位容量价格也随着下降。目前MLC的闪存每GB的价格已从5年前的$10USD/GB降至现在2012年的低于$1USD/GB。 

（3）控制器技术进步：闪存需要匹配的控制器(controller)才能与主机(host)通信实现数据存储读写。控制器技术的成熟促进了基于闪存的固态存储技术在越来越多的领域找到相应的应用，包括在高端的数据中心及移动智能电话中的应用。 

闪存的一大特性是其不可重写性：保存在闪存中的一页(page)数据必需要经过其页面所在的整个块(block)擦除之后才可以写入新的数据【参考资料1：R.Micheloni,L.Crippa,and A.Marelli,“Inside Flash Memories”,Springer,2010.】。在闪存中，一个块包含多个页面，如128或256个页面。为了解决这一问题使得这一不方便特性对用户而言透明，闪存控制器需要通过FTL(Flash Translation Layer,闪存转换层)实现对闪存的管理，从而在闪存上实现如FAT的块设备文件系统，如图1所示。 

闪存转换层(FTL)主要由地址映射分配表、垃圾回收单元和磨损均衡单元组 成。FTL把闪存当作一日志设备： 

（1）分配物理页面地址(physical page address)给新的逻辑数据页面LPA(logical page address),存储其地址映射表。 

（2）分配新的物理页面地址给需要更新的逻辑数据页面,并更新其地址映射表 

（3）将该数据更新前存放的物理页面标记为无效(invalid or outdated)，从而该页面(page)所在的块(block)在将来会被FTL重新擦除回收，即垃圾回收（GC：Garbage Collection）。在垃圾回收时，被回收的块中仍然有效的数据页面将被拷贝到新的物理页面。当拷贝完成之后，该块中的所有页面都是无效数据，因此可以擦除之后再重新利用。 

（4）为防止某些物理块（block）被过度使用而造成系统失效[闪存的物理块拥有有限的擦除读写次数,如5000次]，FTL应用磨损均衡(wear leveling)使得整个设备中的物理页面使用程度平均化以最大化系统使用寿命。 

为了实现高效的垃圾回收，避免在垃圾回收过程中拷贝过多的仍然有效的数据，FTL需要有效地把经常更新的数据（即热数据）和不常更新的数据（即冷数据）分开存放。确切地说，如果一个块中包含大多数是热数据，在该块被垃圾回收时，其中大部分页面所对应的LPA都已经被更新过而变成无效，因此需要拷贝的数据量大大减少，从而减少了系统负载，提高存储系统对host的带宽，并延长了闪存的寿命（由于总写入数据量减少了）。因此，有效而准确的热冷数据检测分类是实现高效FTL的关键。 

由于热冷数据检测技术的关键性，在现有已公开的文献中存在不少不同的解决方案。然而，这些方案普遍存在两种缺陷： 

一、需要很大内存空间：比如通过跟踪每一个逻辑页面LPA (logic page address)的更新时间，当一个逻辑页面LPA在很短时间内被频繁更新，则该LPA是热数据；如果LPA很长时间都没有被更新，这该LPA是冷数据。要实现精确跟踪，需要很大的内存空间来储存LPA更新时间信息，给系统造成很大的负担。例如在【文献2：M.Chiang,P.Lee,and R.Chang,“Managing flash memory in personal communication devices,”in ISCE,1997.】中的算法。