[发明专利]一种固态盘的缓存管理方法

说明书

技术领域

本发明涉及存储设备的缓存管理方法，具体涉及一种固态盘的缓存管理方法。

背景技术

固态盘（Solid State Disk，SSD）是一种利用Flash介质或DRAM芯片作为数据永久存储的硬盘。现在比较常见的SSD为基于Flash介质的SSD，由Flash介质、SSD控制器和一块作为控制器内存使用的DRAM组成。固态盘由于摒弃了传统磁介质、采用电子存储介质进行数据存取，因此摆脱了磁介质硬盘的机械性限制，大大减少了数据查找时间。固态盘的延时为微秒(us)级， 随机访问性能比传统硬盘高一到两个数量级。同时，固态盘具有非易失性、低功耗、抗震性强、读写带宽高、随机访问速度快、可靠性高等优点，能够对小粒度、随机IO访问提供较好的支持。因此，固态盘的使用从一定程度上解决了当代存储系统所面临的一些问题，如访问速度受限等，成为了当前存储领域的研究热点之一。

然而，SSD在具有上述诸多优势的同时，也存在一些问题。较典型的是固态盘的擦后写机制。固态盘读写的基本单位是页，而擦除的基本单位是块，固态盘的擦后写机制是指需要更改固态盘某个块中的某个页时，需要先擦除整个块，再写入该页。为了使得该块的其他数据不丢失，在擦除之前需要将该块中的数据移动到别处，然后再擦除该数据块，最后再写入该页。这样大大限制了固态盘的随机写性能，成为固态盘寿命较短的一个主要因素，限制了固态盘的应用。而且，擦后写机制使得固态盘的写性能大大低于读性能，且频繁的擦写降低了固态盘的使用寿命。

为了提高固态盘的性能，降低擦除次数并延长固态盘的使用寿命，缓存机制被引入，即利用处理数据的时间局部性和空间局部性，将固态盘中的DRAM空间用来缓存写请求的数据，使得一些固态盘的读写操作在缓存中就可以完成，减少了访问Flash介质的次数。目前，存在一些针对固态盘的缓存管理算法。例如，BPLRU算法利用一个写缓存来优化随机写性能，所有主机提交的写请求在写缓存中重新排序然后传递给Flash转换层（Flash Transition Layer， FTL）。Clean-First LRU（CFLRU）算法在不降低缓存命中率的前提下尽量把脏页滞留缓存来减少对Flash介质中存储单元的写次数；LRU-WSR算法将所有的页面分为两类，访问频率高的“热”页和访问频率低的“冷”页，并在页链表中为每个页增加了一个“冷热”标识，“冷”页被优先置换出缓存。这些针对各自不同的目标而设计的缓存管理算法各有优劣，适用于不同的IO访问场景。

为了增加固态盘的性能，延长使用寿命，缓存管理算法应该满足三个方面的要求：（1）尽量利用有限的缓存空间来提高缓存命中率，以提高读写速度并减少写次数；（2）写数据带来的擦除操作应尽可能少，且页的复制次数尽可能少；（3）缓存管理需使得后续的垃圾回收操作尽量简单且复杂度低。但是，上述现有技术均为侧重某一个方面，不能同时满足上述三个方面的要求，而且当前专利和文献中还未见兼顾上述三个特征的缓存管理方法的相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效利用有限的缓存空间并增加缓存的命中率、使得写入Flash介质中的块包含尽量多的页以减少擦除操作及其带来的页复制操作、后续的垃圾回收操作简单的固态盘的缓存管理方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种固态盘的缓存管理方法，其实施步骤如下：

1）预先在固态盘的缓存中建立用来存储缓存数据的页缓存和用来存储替换块的替换块缓存，然后在固态盘的缓存中建立新页链表、物理块链表、物理页状态表；新页链表用于记录页缓存中的待写入固态盘的逻辑页号；物理块链表用于记录页缓存中的逻辑页所对应的物理块号的信息，物理块链表中的每一个结点为一个用于记录该物理块内所有带有数据及有效标识位的“脏”页的“脏”页链表；物理页状态表用于记录固态盘中每个物理页的数据“有效”、“失效”、“干净”三者之一的状态信息；

2）接收来自主机的IO请求，如果IO请求为读请求则跳转执行步骤3）；如果IO请求为写请求则跳转执行步骤4）；

3）优先读取页缓存中的逻辑页，当页缓存未命中时，通过FTL从固态盘上读取逻辑页，且将逻辑页数据存入页缓存，更新物理块链表的“脏”页链表并将所述逻辑页对应物理页的状态标记为“有效”；最终将逻辑页数据返回给主机并跳转执行步骤2）；