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CN107193758A - 一种固态硬盘的映射表管理方法及固态硬盘 - Google Patents

一种固态硬盘的映射表管理方法及固态硬盘 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固态硬盘的映射表管理方法及固态硬盘，其特征在于在固态硬盘中增加SCM，硬盘控制器将SCM作为固态硬盘数据缓存，用于记录NAND的具体物理地址与主机访问的逻辑地址的映射关系的映射表创建并存储在SCM中；主机向固态硬盘写入主机数据时，先写入SCM实现数据缓存，缓存在SCM中的数据实际更新到NAND后同步更新映射表或者在写入SCM实现数据缓存时同步更新映射表。通过将映射表改为存储在SCM中，NAND中不再需要存储映射表，避免了对NAND空间的占用，进而避免了由于频繁更新映射表造成的写放大的问题。同时还减少了开机从NAND加载初始映射表的操作，极大地降低了开机响应延迟。

Description

一种固态硬盘的映射表管理方法及固态硬盘
技术领域
本发明涉及固态硬盘控制技术，特别涉及一种固态硬盘的映射表管理方法及固态硬盘。
背景技术
图1是典型的NAND组成示意图：DIE,可独立并发操作的单元；Block,可独立擦除的单元，其内各个物理位置的数据写入后在下一次写之前必须要将整个Block擦除；Page，读写单元。
SSD(固态硬盘)已经被广泛应用于各种场合，其逐步在替换传统的HDD存储设备。为了获取最大的NAND并发写入速度，需要在内存(DRAM)中维护用户数据的缓存Cache,在缓存足够的数据后再发起对NAND的并发写入，从而获取最高的性能。由于内存为掉电易失性设备，基于此方案设计的SSD系统，在掉电后Cache中的数据会完全丢失，造成用户数据损坏。
图2是采用常规映射表管理机制示意图；目前大多数SSD内部映射表管理策略为：在内存中维护一个映射表，描述主机访问单元的逻辑地址到NAND上存储的物理地址映射关系；主机访问单元逻辑地址3的数据被存放到物理地址D,在数据写入到NAND过程中，同时也会更新映射表；NAND划分为俩部分，一部分存放数据，一部分存放映射表；由于映射表会掉电丢失，为了加速开机过程，需要定期地把映射表刷新到NAND指定区域；位于NAND上存放映射表的区域，伴随使用时间的增长，其占用的空间越来越大，需要进行垃圾回收，该过程伴随着新的NAND写入；同时由于NAND需要存储映射表的变化，所以导致了额外的写放大，影响SSD的寿命和性能。
进一步地，系统掉电重新上电后，由于内存中的数据已经丢失，因此需要先从NAND存储区域扫描、加载映射表到DRAM，其后的主机访问请求才能拿到对应的映射表项，导致开机后响应时间比较慢的问题。
发明内容
针对以上缺陷，本发明目的是利用SCM掉电数据可继续保存和可字节操作的特性，提高固态硬盘的性能和寿命。
为了解决以上问题本发明提出了一种固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于在固态硬盘中增加SCM，硬盘控制器将SCM作为固态硬盘数据缓存，用于记录NAND的具体物理地址与主机访问的逻辑地址的映射关系的映射表创建并存储在SCM中；主机向固态硬盘写入主机数据时，先写入SCM实现数据缓存，缓存在SCM中的数据实际更新到NAND后同步更新映射表或者在写入SCM实现数据缓存时同步更新映射表。
所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于在固态硬盘的垃圾回收处理程序或者碎片整理程序中需增加对应更新映射表的操作。
所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于逻辑地址映射的NAND的具体物理地址发生变化时，直接修改映射表中对应的物理地址所在的数据字节。
所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于将主机数据写入SCM实现数据缓存时，将主机数据的地址信息按照预先设定的格式写入SCM。
所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于按照如下步骤完成数据写入操作：
步骤1：硬盘控制器接收到主机下发的写数据指令；
步骤2：在SCM中的空闲空间中分配缓存内存，将主机数据、地址信息和有效性标志写入缓存内存；
步骤3：更新程序在后台运行，定时或随机被触发判定SCM中缓存的数据是否满足NAND并发编程条件或则预先设定的条件，如果满足则触发将SCM中缓存的数据更新到固态硬盘的NAND存储单元。
所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于所述SCM以固定条目大小划分，以条目为最小分配单元进行调度；每个条目设置一个有效性标志；当主机数据缓存到条目时，所述有效性标志被标示为有效Y；当条目中存储的数据被更新到NAND存储单元时所述有效性标志被标志为无效N。
所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于还包括上电自检程序，所述上电自检程序在固态硬盘上电时自动扫描SCM各个条目，将效性标志为有效Y的数据更新到NAND存储单元。
一种固态硬盘，其特征在于采用了权利要求1至7任意一项所述的固态硬盘的映射表管理方法。
本发明通过采用SCM替代DRAM作为映射存储区，由于SCM掉电数据可继续保存，将映射表改为存储在SCM中，NAND中不再需要存储映射表，避免了对NAND空间的占用，进而避免了由于频繁更新映射表造成的写放大的问题。同时还减少了开机从NAND加载初始映射表的操作，极大地降低了开机响应延迟。
附图说明
图1是典型的NAND组成示意图；
图2是采用常规内存映射表管理机制示意图；
图3是采用SCM存储后的映射表管理机制示意图；
图4是采用SCM实现缓存数据写入的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图3是采用SCM存储后的映射表管理机制示意图，引入SCM替换DRAM后，由于SCM具备字节编程、掉电后数据保持的特性，在本发明中我们将映射表存放于SCM中取消了NAND上存储映射表的空间，全部作为用户数据存储；因此相比于原来降映射表存储在NAND中，可避免基于NAND存放映射时带来的写放大，提升了SSD可靠性。当主机写入逻辑地址的数据时，则更改SCM中映射表的对应的表项，将数据写入到对应的NAND物理地址；当主机读取逻辑地址的数据时，则查询SCM中映射表对应的表项，从对应的NAND物理地址获取数据并返回主机；当发生掉电重新上电后，SCM中的映射表仍然存在，对于主机的读写请求可立刻响应，而不需要从NAND上恢复映射，极大地降低了开机响应延迟。
图4是采用SCM实现缓存数据写入的示意图，硬盘控制器接收到主机下发的写数据指令；在SCM中的空闲空间中分配缓存内存，将主机数据、地址信息和有效性标志写入缓存内存；完成数据缓存，并通知主机数据写入已经完成。更新程序在后台运行，定时或随机被触发判定SCM中缓存的数据是否满足NAND并发编程条件或者预先设定的条件，如果满足则触发将SCM中缓存的数据更新到固态硬盘的NAND存储单元。最后完成实际数据的写入，并更新对应的映射表，该更新程序在后台运行，不影响主机的响应时间和用户体验。
为了方便管理可将SCM以固定条目大小划分，以条目为最小分配单元进行调度；每个条目设置一个有效性标志Valid Flag；当主机数据缓存到条目时，有效性标志被标示为有效Y；当条目中存储的数据被更新到NAND存储单元时所述有效性标志被标志为无效N。
SCM相比于DRAM最大的改进就是其系统发生异常掉电时，SCM中可能还缓存着部分未更新到NAND中的用户数据，针对该问题固态硬盘控制程序中还包括上电自检程序，上电自检程序在固态硬盘上电时自动扫描SCM各个条目，将效性标志为有效Y的数据更新到NAND存储单元。从而保证SCM在系统掉电时，SCM中的数据可继续保存和恢复。保证数据的安全。
以上所揭露的仅为本发明一种实施例而已，当然不能以此来限定本之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于在固态硬盘中增加SCM，硬盘控制器将SCM作为固态硬盘数据缓存，用于记录NAND的具体物理地址与主机访问的逻辑地址的映射关系的映射表创建并存储在SCM中；主机向固态硬盘写入主机数据时，先写入SCM实现数据缓存，缓存在SCM中的数据实际更新到NAND后同步更新映射表或者在写入SCM实现数据缓存时同步更新映射表。
2.根据权利要求1所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于在固态硬盘的垃圾回收处理程序或者碎片整理程序中需增加对应更新映射表的操作。
3.根据权利要求2所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于逻辑地址映射的NAND的具体物理地址发生变化时，直接修改映射表中对应的物理地址所在的数据字节。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于将主机数据写入SCM实现数据缓存时，将主机数据的地址信息按照预先设定的格式写入SCM。
5.根据权利要求4所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于按照如下步骤完成数据写入操作：
步骤1：硬盘控制器接收到主机下发的写数据指令；
步骤2：在SCM中的空闲空间中分配缓存内存，将主机数据、地址信息和有效性标志写入缓存内存；
步骤3：更新程序在后台运行，定时或随机被触发判定SCM中缓存的数据是否满足NAND并发编程条件或则预先设定的条件，如果满足则触发将SCM中缓存的数据更新到固态硬盘的NAND存储单元。
6.根据权利要求5所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于所述SCM以固定条目大小划分，以条目为最小分配单元进行调度；每个条目设置一个有效性标志；当主机数据缓存到条目时，所述有效性标志被标示为有效Y；当条目中存储的数据被更新到NAND存储单元时所述有效性标志被标志为无效N。
7.根据权利要求5所述的固态硬盘的映射表管理方法，其特征在于还包括上电自检程序，所述上电自检程序在固态硬盘上电时自动扫描SCM各个条目，将效性标志为有效Y的数据更新到NAND存储单元。
8.一种固态硬盘，其特征在于采用了权利要求1至7任意一项所述的固态硬盘的映射表管理方法。
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