[发明专利]一种基于队列管理机制的固态硬盘并行访问方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于固态存储领域，具体涉及固态硬盘并行访问技术。

背景技术

NAND闪存作为一种非易失性存储器件，具有体积小、访问速度快、功率小及抗震等优良特征，因此，基于NAND闪存技术的固态硬盘目前已经应用于军用及民用存储领域。但是，NAND闪存器件具有一些固有的限制，导致固态硬盘管理具有一定的难度，其主要限制因素主要有：

(1)非即时更新。在重新写入某一页前必须对这一页所在的块进行擦除操作，而不能直接写入，而擦除操作是以块为单位进行擦除，而不是以页为单位进行擦除；

(2)NAND闪存每一块在其失效前擦除/写入次数有限。对于单层NAND闪存一般具有数万次的擦除/写入次数，而多层NAND闪存则只有几千次的擦除/写入次数。一旦作用中超过极限擦除/写入次数，则NAND闪存就会失效，无法继续使用。

基于NAND闪存的固态硬盘典型存储系统结构如图1所示，主机端应用程序及操作系统通过文件系统和底层硬件访问固态硬盘。固态硬盘通过主接口逻辑将请求发送至内部的嵌入式处理器，经过闪存转译层及请求队列管理，将请求发送至NAND闪存控制器固件，再由NAND闪存控制器最终通过并行访问方法与底层NAND闪存阵列交互，完成此次读写请求。

当固态硬盘接收到文件系统传递过来的一个请求时，闪存转换层会根据其逻辑地址寻找一个物理地址存储数据，然后再将数据真正写入固态硬盘。但当固态硬盘中没有足够的空间来保存当前写入请求时，一些已经用过的脏块需要被擦除，以获得有效的存储空间，这个过程称之为垃圾回收。因此，垃圾回收的基本目标是通过一些算法找到脏块，然后将脏块中的有效数据迁移至有效空间，最终将脏块擦除获得有效存储空间。通常情况下，擦除一块的时间为几千微秒，而读和写入一页的时间仅为几十甚至几百微妙。由于垃圾回收过程中擦除操作及有效页复制操作时间开销过大，垃圾回收就会对固态硬盘的I/O性能造成严重的影响。

为了提高固态硬盘读写速率及增大固态硬盘存储空间，固态硬盘中一般使用多片NAND闪存芯片，多片NAND闪存芯片组成几个独立的、可以并行操作的通道。固态硬盘通过使用一定的并行访问方法来达到充分利用这些并行通道，最终达到提高固态硬盘I/O性能的目的。目前固态硬盘中主要使用轮循并行访问方法，如图2所示。

为了充分利用固态硬盘多个通道的并行性，轮循并行访问方法将所有访问请求分布到所有并行单元，如多芯片或层上，让这些请求可以再不需要等待或者挂起的情况下，同时被服务，从而达到较高的I/O速率。图2中表示的是一个简化的固态硬盘，其拥有四个通道，每个通道有一个NAND闪存芯片，分别为NAND Flash0～4。在文件系统写入逻辑地址LPN0～16时，轮循并行访问方法将这16次请求按图2方式进行存储。

但轮循并行访问方法存在以下问题：将本来顺序的逻辑地址页离散地分布到整个存储介质中，从而造成物理存储介质中数据分布与文件系统数据组织形式不一致。这对于磁盘等可以立即更新的存储介质不会带来任何不良影响，但是NAND闪存必须在擦除后才能写入，是一种非立即更新器件，文件系统与物理介质之间数据组织形式不一致会造成大量的垃圾回收，从而对固态硬盘的I./O性能造成不良影响。例如在图2中，如果文件系统更新LPN0～3，则会对固态硬盘四个块进行更新操作，在垃圾回收时会造成其它有效页的大量复制及四个块的擦除操作，给固态硬盘带来极大的I/O性能消耗。

目前包括轮循在内几乎所有的并行访问方法都尽可能提高服务请求的并行程度，而不考虑并行造成的数据在物理空间的离散对垃圾回收操作带来的影响。另一方面，如果只考虑垃圾回收效率，将请求数据按照逻辑地址顺序写入到固态硬盘，则固态硬盘将失去所有的并行访问特性，其I/O性能就会退化至单片NAND闪存存储系统，失去了固态硬盘作为高速大容量存储器件的能力。

发明内容

本发明为了解决现有并行访问方法和装置在并行写入数据请求时，数据在物理空间的离散对垃圾回收的不良影响，以及只考虑垃圾回收效率，导致对固态硬盘I/O性能降低的问题，提出一种基于队列管理机制的固态硬盘并行访问方法及装置。

一种基于队列管理机制的固态硬盘并行访问方法包括以下步骤：

当文件系统请求到达时，判断此次请求是顺序请求还是随机请求，若为随机请求，则使用轮循并行访问方法进行响应，若为顺序请求，则进一步判断所有请求长度L；