一種固態(tài)盤(pán)陣列的數(shù)據(jù)布局方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)領(lǐng)域，尤其是涉及一種固態(tài)盤(pán)陣列的數(shù)據(jù)布局方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磁盤(pán)是目前主流的存儲(chǔ)介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦、互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域，但是由于其機(jī)械特性的限制，讀寫(xiě)性能無(wú)法進(jìn)一步獲得更高的提升，基于磁盤(pán)的存儲(chǔ)設(shè)備逐步成為存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能瓶頸。近年來(lái)，固態(tài)盤(pán)由于其讀寫(xiě)性能高、能耗低、防震性好以及日漸低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為磁盤(pán)的有力替代品。與磁盤(pán)相比，基于閃存的固態(tài)盤(pán)沒(méi)有機(jī)械部件(如磁頭、轉(zhuǎn)軸等)，其內(nèi)部由半導(dǎo)體器件組成，因此固態(tài)盤(pán)對(duì)外服務(wù)時(shí)無(wú)需尋道時(shí)間等由機(jī)械運(yùn)動(dòng)引發(fā)的延時(shí)，固態(tài)盤(pán)的性能相對(duì)于磁盤(pán)有極大的提升，具體表現(xiàn)為尚隨機(jī)讀與性能、尚可靠性和尚能效。但是由于固態(tài)盤(pán)內(nèi)部閃存芯片的特性，固態(tài)盤(pán)也存在著局限性，在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，若原數(shù)據(jù)頁(yè)中存在著有效數(shù)據(jù)，無(wú)法在原位置中覆蓋寫(xiě)入新數(shù)據(jù)。固態(tài)盤(pán)采取的是異地更新的策略，即首先將原數(shù)據(jù)置為無(wú)效，把待更新的數(shù)據(jù)寫(xiě)入其它空閑頁(yè)中；當(dāng)固態(tài)盤(pán)中無(wú)效頁(yè)越來(lái)越多、空閑頁(yè)數(shù)量低于系統(tǒng)所設(shè)置閾值時(shí)，會(huì)觸發(fā)垃圾回收操作，將待擦除塊中的有效數(shù)據(jù)拷貝到空閑頁(yè)后擦除該閃存塊，從而釋放更多的空間來(lái)保存新的數(shù)據(jù)。然而，閃存芯片的擦除次數(shù)是有限的，影響了固態(tài)盤(pán)的使用壽命與可靠性，在企業(yè)級(jí)服務(wù)器的應(yīng)用場(chǎng)景下將威脅到存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性。
[0003]在企業(yè)級(jí)服務(wù)器的應(yīng)用場(chǎng)景下，磁盤(pán)陣列技術(shù)被廣泛用于提升磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能和可靠性。相應(yīng)地，將磁盤(pán)陣列技術(shù)應(yīng)用于固態(tài)盤(pán)，可以構(gòu)建大容量、高性能、高可靠的固態(tài)盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)。在固態(tài)盤(pán)陣列中，數(shù)據(jù)分布在不同固態(tài)盤(pán)上，實(shí)現(xiàn)了同步化的存取操作，增加了讀寫(xiě)操作的并行性，提高了固態(tài)盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能；另外，由于固態(tài)盤(pán)陣列引入了數(shù)據(jù)冗余，也提高了固態(tài)盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性。而固態(tài)盤(pán)陣列的分塊大小作為固態(tài)盤(pán)陣列性能的重要影響因素之一，決定著固態(tài)盤(pán)陣列中數(shù)據(jù)的分割粒度。目前，關(guān)于固態(tài)盤(pán)陣列中最優(yōu)分塊大小的研究尚處于探索階段，如果直接采用基于磁盤(pán)陣列的最優(yōu)分塊大小，由于沒(méi)有考慮到固態(tài)盤(pán)與磁盤(pán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，固態(tài)盤(pán)陣列的性能將受到限制。
[0004]Farzaneh Rajaei Salmasij Hossein Asadij and Majid GhasemiGol.1mpact ofStripe Unit Size on Performance and Endurance of SSD-Based RAID Arrays.ScientiaIranicaj Transact1ns D，2013.20(6):1978-1998.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供可綜合固態(tài)盤(pán)陣列的不同分塊大小在讀寫(xiě)操作和請(qǐng)求大小上的優(yōu)勢(shì)，以發(fā)揮固態(tài)盤(pán)陣列最優(yōu)性能的一種固態(tài)盤(pán)陣列的數(shù)據(jù)布局方法。
[0006]本發(fā)明包括以下步驟:
[0007](I)初始化步驟，具體過(guò)程如下:
[0008](1.1)主控模塊打開(kāi)已有的固態(tài)盤(pán)陣列或創(chuàng)建新的固態(tài)盤(pán)陣列，判斷該固態(tài)盤(pán)陣列是否為新創(chuàng)建的固態(tài)盤(pán)陣列，若是，則轉(zhuǎn)過(guò)程(1.2)，否則轉(zhuǎn)過(guò)程(1.3);
[0009](1.2)主控模塊根據(jù)用戶指令，將新創(chuàng)建的固態(tài)盤(pán)陣列劃分為3個(gè)分區(qū)，容量比例設(shè)置為2: I: 1，分區(qū)號(hào)分別設(shè)置為0、1和2，按照4KB、8KB和32KB的分塊大小對(duì)這3個(gè)分區(qū)重新進(jìn)行固態(tài)盤(pán)陣列的條帶化并新建數(shù)據(jù)映射表，轉(zhuǎn)步驟(2);
[0010](1.3)主控模塊讀取保存在固態(tài)盤(pán)陣列的成員固態(tài)盤(pán)超級(jí)塊中的數(shù)據(jù)映射表和分區(qū)信息，轉(zhuǎn)步驟⑵；
[0011](2)請(qǐng)求處理步驟，具體過(guò)程如下:
[0012](2.1)請(qǐng)求處理模塊判斷固態(tài)盤(pán)陣列的請(qǐng)求等待隊(duì)列中是否有請(qǐng)求，若有，則獲取一個(gè)請(qǐng)求并轉(zhuǎn)過(guò)程(2.2)，否則轉(zhuǎn)過(guò)程(2.3);
[0013](2.2)請(qǐng)求處理模塊獲取該請(qǐng)求的偏移量、請(qǐng)求大小和請(qǐng)求類型，轉(zhuǎn)步驟(3);
[0014](2.3)記錄超時(shí)時(shí)間，若超時(shí)時(shí)間低于系統(tǒng)設(shè)置的閾值(如1s)時(shí)，則轉(zhuǎn)過(guò)程(2.1)，否則說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，轉(zhuǎn)步驟(5);
[0015](3)數(shù)據(jù)映射步驟，具體過(guò)程如下:
[0016](3.1)數(shù)據(jù)映射模塊判斷該請(qǐng)求是否是讀請(qǐng)求，若是，則轉(zhuǎn)過(guò)程(3.5)，否則轉(zhuǎn)過(guò)程(3.2)；
[0017](3.2)數(shù)據(jù)映射模塊根據(jù)請(qǐng)求的偏移量及請(qǐng)求大小，判斷該請(qǐng)求的數(shù)據(jù)塊是否在當(dāng)前數(shù)據(jù)映射表中，若是，則轉(zhuǎn)過(guò)程(3.4)，否則，從分區(qū)大小為4KB的分區(qū)中獲取一個(gè)內(nèi)部塊偏移，轉(zhuǎn)過(guò)程(3.3)；
[0018](3.3)數(shù)據(jù)映射模塊向數(shù)據(jù)映射表中寫(xiě)入新數(shù)據(jù)項(xiàng)，數(shù)據(jù)項(xiàng)中分區(qū)號(hào)置為0、時(shí)間戳設(shè)置為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間、計(jì)數(shù)器初始化為O ;判斷請(qǐng)求大小，若請(qǐng)求大小大于16KB，則將該數(shù)據(jù)項(xiàng)放入待維護(hù)隊(duì)列；操作類型設(shè)置為“寫(xiě)入”，轉(zhuǎn)步驟(4);
[0019](3.4)數(shù)據(jù)映射模塊根據(jù)請(qǐng)求偏移量檢索數(shù)據(jù)映射表，獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，并設(shè)置操作類型為“更新”，轉(zhuǎn)步驟⑷；
[0020](3.5)數(shù)據(jù)映射模塊根據(jù)請(qǐng)求偏移量檢索數(shù)據(jù)映射表，獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，并設(shè)置操作類型為“讀取”，轉(zhuǎn)步驟⑷；
[0021](4)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)步驟，具體過(guò)程如下:
[0022](4.1)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊判斷操作類型是否是“寫(xiě)入”，若是，則轉(zhuǎn)過(guò)程(4.2)，否則判斷數(shù)據(jù)類型是否是“讀取”，若是，則轉(zhuǎn)過(guò)程(4.3)，否則轉(zhuǎn)過(guò)程(4.4);
[0023](4.2)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊根據(jù)數(shù)據(jù)項(xiàng)中的“內(nèi)部塊偏移量”寫(xiě)入數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)步驟(2);
[0024](4.3)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊判斷該數(shù)據(jù)項(xiàng)是否正在進(jìn)行一致性維護(hù)，若是，則從緩沖區(qū)讀出數(shù)據(jù)，否則根據(jù)該數(shù)據(jù)項(xiàng)所在分區(qū)的“內(nèi)部塊偏移量”從固態(tài)盤(pán)陣列讀出數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)步驟
(2)；
[0025](4.4)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊判斷該數(shù)據(jù)項(xiàng)是否正在進(jìn)行一致性維護(hù)，若是，則更新緩沖區(qū)中大小為“請(qǐng)求大小”的數(shù)據(jù)為待寫(xiě)入的數(shù)據(jù)；否則根據(jù)該數(shù)據(jù)項(xiàng)所在分區(qū)的“內(nèi)部塊偏移量”向固態(tài)盤(pán)陣列寫(xiě)入數(shù)據(jù)，并判斷該數(shù)據(jù)項(xiàng)的時(shí)間戳與當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間的差值是否小于系統(tǒng)設(shè)置的超時(shí)時(shí)間(如2000ms)，若是，則更新該數(shù)據(jù)項(xiàng)的計(jì)數(shù)器即遞增1，否則將計(jì)數(shù)器重置為O ;更新該數(shù)據(jù)項(xiàng)的時(shí)間戳為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，轉(zhuǎn)步驟(2);
[0026](5) 一致性維護(hù)步驟，具體過(guò)程如下:
[0027](5.1) 一致性維護(hù)模塊判斷一致性維護(hù)隊(duì)列中是否有待維護(hù)的項(xiàng)目，若有，則從一致性維護(hù)隊(duì)列中獲取一個(gè)待維護(hù)項(xiàng)目，轉(zhuǎn)過(guò)程(5.2)，否則轉(zhuǎn)步驟(2);
[0028](5.2) 一致性維護(hù)模塊判斷待維護(hù)項(xiàng)目的計(jì)數(shù)器值是否大于系統(tǒng)設(shè)置的閾值(如20)，若是，則表明該項(xiàng)目近期被頻繁更新，無(wú)需迀移至其他分塊大小的區(qū)域，轉(zhuǎn)過(guò)程(5.4)，否則表明該項(xiàng)目為不經(jīng)常更新的項(xiàng)，需要將以該項(xiàng)目的分區(qū)號(hào)下的“內(nèi)部塊偏移量”為起始地址、“請(qǐng)求大小”為長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)迀移至其他分塊大小的區(qū)域，轉(zhuǎn)過(guò)程(5.3);
[0029](5.3) 一致性維護(hù)模塊把以該維護(hù)項(xiàng)目所在“分區(qū)號(hào)”的“內(nèi)部塊偏移量”為起始地址、“請(qǐng)求大小”為長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)中，判斷該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)大小是否小于80KB，若是，則從8KB大小的分區(qū)中獲取一個(gè)內(nèi)部塊偏移并設(shè)置分區(qū)號(hào)為1，否則從32KB大小的分區(qū)中獲取一個(gè)內(nèi)部塊偏移量并設(shè)置分區(qū)號(hào)為2 ;然后將該數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)迀移到以“內(nèi)部塊偏移量”為起始地址的位置并更新數(shù)據(jù)映射表，轉(zhuǎn)過(guò)程(5.1);
[0030](5.4) 一致性維護(hù)模塊將該維護(hù)項(xiàng)目的計(jì)數(shù)器置為0，時(shí)間戳更新為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，轉(zhuǎn)過(guò)程(5.1);
[0031](6)結(jié)束步驟，當(dāng)用戶發(fā)出指令關(guān)閉固態(tài)盤(pán)陣列時(shí)，具體過(guò)程如下:
[0032]主控模塊將數(shù)據(jù)映射表保存到固態(tài)盤(pán)陣列的超級(jí)塊中，關(guān)閉固態(tài)盤(pán)陣列設(shè)備，釋放相關(guān)的資源。
[0033]在步驟(I)過(guò)程(1.1)中，所述固態(tài)盤(pán)陣列上設(shè)有主控模塊、請(qǐng)求處理模塊、數(shù)據(jù)映射模塊、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊和一致性維護(hù)模塊，并設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)映射表和多分塊存儲(chǔ)區(qū)域。
[0034]在步驟⑴過(guò)程(1.2)中，所述數(shù)據(jù)映射表包括M條映射信息，每條映射信息由6個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成，各數(shù)據(jù)項(xiàng)依次為請(qǐng)求偏移量rq_0ffset、內(nèi)部塊偏移量in_0ffset、請(qǐng)求大小Size、分區(qū)號(hào)md_Num、時(shí)間戳TS和計(jì)數(shù)器UC ;M為大于等于O的自然數(shù)。
[0035]本發(fā)明包括初始化步驟、請(qǐng)求處理步驟、數(shù)據(jù)映射步驟、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)步驟、一致性維護(hù)步驟和結(jié)束步驟?；诔浞掷霉虘B(tài)盤(pán)陣列的多種不同分塊大小的優(yōu)勢(shì)，并根據(jù)讀寫(xiě)請(qǐng)求實(shí)時(shí)特性的不同，將數(shù)據(jù)塊布局于性能最優(yōu)的存儲(chǔ)區(qū)域。對(duì)于讀請(qǐng)求而言，最優(yōu)分塊大小可以充分發(fā)揮固態(tài)盤(pán)陣列的最佳并行性，而對(duì)于寫(xiě)請(qǐng)求而言，最優(yōu)分塊大小可以在最大程度上減少寫(xiě)入請(qǐng)求引發(fā)的固態(tài)盤(pán)陣列的校驗(yàn)塊更新。本發(fā)明綜合了多個(gè)分塊大小的優(yōu)勢(shì)而不是單一地使用一種分塊大小，從而提高了固態(tài)盤(pán)陣列的性能。
[0036]另外，本發(fā)明所述的一種固態(tài)盤(pán)陣列的數(shù)據(jù)布局方法能夠和固態(tài)盤(pán)陣列功能模塊協(xié)同工作，并且可以被嵌入到現(xiàn)有的固態(tài)盤(pán)陣列系統(tǒng)中，包括硬件和軟件固態(tài)盤(pán)陣列系統(tǒng)。適用于構(gòu)造具有尚性能、尚可用性和尚可靠性的固態(tài)盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)。
【附圖說(shuō)明】
[0037]圖1為本發(fā)明的示意圖；
[0038]圖2為本發(fā)明的數(shù)據(jù)映射表中一條映射信息的數(shù)據(jù)項(xiàng)示意圖；
[0039]圖3為本發(fā)明初始化步驟的過(guò)程示意圖；
[0040]圖4為本發(fā)明請(qǐng)求處理步驟的過(guò)程示意圖；
[0041]圖5為本發(fā)明數(shù)據(jù)映射步驟的過(guò)程示意圖；
[0042]圖6為本發(fā)明數(shù)據(jù)讀寫(xiě)步驟的過(guò)程示意圖；
[0043]圖7為本發(fā)明一致性維護(hù)步驟的過(guò)程示意圖；
[0044]圖8為本發(fā)明結(jié)束步驟的過(guò)程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045]下面以4塊固態(tài)盤(pán)組成的陣列級(jí)別5為例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0046]圖1為本發(fā)明的示意圖:初始化步驟完成后進(jìn)入請(qǐng)求處理步驟，然后進(jìn)入順序的數(shù)據(jù)映射步驟與數(shù)據(jù)讀寫(xiě)步驟或者進(jìn)入一致性維護(hù)步驟，當(dāng)用戶發(fā)出關(guān)閉指令時(shí)，進(jìn)入結(jié)束步驟。
[004