一種減小ssd讀寫io時延的方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種減小SSD讀寫IO時延的方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有SSD主控通過FTL映射表項記錄主機邏輯地址與Flash物理地址之間的映射 關(guān)系。隨著SSD提供的存儲空間增大，映射表項的個數(shù)也逐漸增多。以2T的SSD容量來看， 假設(shè)映射粒度為4K Byte，每個映射表項占用6個Byte，那么FTL映射表項占用的空間大小 為（2T/4K)*6Byte = 3G Byte 大小。
[0003] 由于CPU訪問RAM的性能遠遠高于訪問Flash介質(zhì)的性能，考慮性能原因，SSD主 控通常通過緩存映射表項的方式來保證IO性能。但對于如此大的FTL映射表項數(shù)據(jù)，當(dāng)前 的SSD主控?zé)o法提供如此大的RAM空間來緩存整張FTL映射表?，F(xiàn)有做法是通過采用多級 映射表，RAM緩存部分映射表項數(shù)據(jù)的方式來保證IO性能（如圖1所示，其中：FTL二級映 射表：用于存放FTL映射表項的系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊?？紤]SSD主控芯片RAM空間大小的問題，F(xiàn)TL 二級映射表通常被分為多塊，RAM空間只緩存了部分二級映射表；FTL-級映射表：用于記 錄二級映射表在緩存中的狀態(tài)信息（是否緩存在RAM中），以及二級映射表在Flash上的物 理位置。通常FTL -級映射表整張緩存在RAM中。）。
[0004] 當(dāng)主機（Host)讀IO訪問的邏輯地址對應(yīng)的FTL映射表項不在RAM緩存中時，需 要先將映射表項從Flash介質(zhì)上讀取出來，獲取映射關(guān)系后再找到對應(yīng)的物理位置讀取數(shù) 據(jù)。如果遇到RAM緩存空間不夠，還需要先下刷原有的映射表項到Flash介質(zhì)上，再釋放 RAM緩存空間。
[0005] 如圖2,目前SSD的性能中，IO時延基本都是微秒級。在SSD內(nèi)部的IO路徑上， SSD主控向Flash接口下發(fā)讀命令，到數(shù)據(jù)讀到RAM中所花費的時間，大概占整個IO時延的 20%左右。如果主機下發(fā)的讀IO對應(yīng)的映射表項未在緩存RAM中，需要額外加載一次映射 表項，那么相應(yīng)的讀IO時延也要增加20%左右。所以，在隨機IO占多數(shù)的應(yīng)用場景里面， 這部分時延普遍偏大。當(dāng)主機下發(fā)的邏輯讀IO請求經(jīng)過SSD主控，無法在RAM緩存中命中 對應(yīng)的FTL映射表項時，主控芯片需要從Flash介質(zhì)上先讀取FTL映射表項，再根據(jù)FTL映 射表項得到數(shù)據(jù)存放的物理位置，讀取對應(yīng)的數(shù)據(jù)。相對能夠在緩存中命中FTL映射表項 的讀10,上述IO過程中增加了一次從Flash介質(zhì)讀取FTL映射表項的操作，極大的增加了 IO時延。
[0006] 本發(fā)明用到的名詞解釋如下：
[0007] SSD :Solid State Drive，固態(tài)硬盤，一種利用Nand Flash介質(zhì)存儲用戶數(shù)據(jù)的存 儲裝置。
[0008] Vendor命令：根據(jù)ATA協(xié)議規(guī)定的格式，廠商自定義的用于主機和硬盤之間，交互 數(shù)據(jù)和信息的廠商自定義命令。
[0009] SSD主控：用于管理存放在Nand flash介質(zhì)上的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)的SOC芯片。 SSD主控通過相關(guān)算法與措施，能夠極大的提升整個SSD的壽命和可靠性以及性能，是SSD 系統(tǒng)中最關(guān)鍵最重要的模塊。
[0010] LBA :Logical Block Address，主機側(cè)用于訪問SSD存儲空間的線性邏輯地址。
[0011] PBA :Physical Blcok Address，SSD 主控訪問 flash 介質(zhì)的物理地址。
[0012] FTL映射表項：FTL(Flash translation layer)映射表項記錄了主機邏輯地址到 Flash介質(zhì)物理地址的映射關(guān)系。主機下發(fā)的讀IO請求，為邏輯地址，通過查找對應(yīng)的映射 表項，計算出數(shù)據(jù)在flash介質(zhì)上存放的物理地址，然后讀出數(shù)據(jù)。
[0013] HIF :Host Interface，主機接口，用于SSD主控與主機之間的數(shù)據(jù)交互。
[0014] FIF :Flash Interface，Nand Flash 顆粒接口，用于 SSD 主控與 Flash 顆粒之間的 數(shù)據(jù)交互。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種減小SSD讀寫IO時 延的方法與系統(tǒng)。
[0016] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種減小SSD讀寫IO時延的 方法，包括以下步驟：
[0017] 1)主機側(cè)加載SSD驅(qū)動時，SSD驅(qū)動初始化時在內(nèi)存中分配足夠的內(nèi)存空間，通過 vendor命令，讀取SSD的整張FTL映射表數(shù)據(jù)到主機內(nèi)存，并將所有FTL映射表項均標記為 干凈表項；
[0018] 2)主機側(cè)業(yè)務(wù)下發(fā)讀IO時，讀IO命令經(jīng)過SSD驅(qū)動，SSD驅(qū)動查找讀IO邏輯地 址對應(yīng)的FTL映射表項，根據(jù)FTL映射表項記錄的物理地址，下發(fā)讀物理地址的特殊IO命 令到SSD主控；SSD主控收到讀IO命令后，檢查讀IO命令中的相關(guān)標記，若發(fā)現(xiàn)是讀物理地 址的特殊10,直接讀取對應(yīng)Flash物理地址的數(shù)據(jù)，并返回給主機；主機側(cè)下發(fā)寫IO命令 時，寫IO命令經(jīng)過SSD驅(qū)動，將對應(yīng)的FTL映射表項標記為臟；SSD主控收到寫IO命令后， 將數(shù)據(jù)寫入Flash，同時更新FTL映射表項，并返回寫入結(jié)果給主機；當(dāng)寫IO命令返回給主 機后，主機向SSD主控下發(fā)所述vendor命令，讀取對應(yīng)邏輯地址的FTL映射表項，讀取成功 后，利用讀取出來的表項數(shù)據(jù)更新主機內(nèi)存中記錄的FTL映射表項，同時將FTL映射表項重 新標記為干凈。
[0019] 本發(fā)明還提供了一種減小SSD讀寫IO時延的系統(tǒng)，其包括：
[0020] 主機：用于加載SSD驅(qū)動，并在SSD驅(qū)動初始化時在內(nèi)存中分配足夠的內(nèi)存空間， 通過vendor命令，讀取SSD的整張FTL映射表數(shù)據(jù)到主機內(nèi)存，將所有FTL映射表項均標記 為干凈表項；下發(fā)讀10命令，查找讀10邏輯地址對應(yīng)的FTL映射表項，根據(jù)FTL映射表項 記錄的物理地址，下發(fā)讀物理地址的特殊10命令到SSD主控；下發(fā)寫10命令，將對應(yīng)的FTL 映射表項標記為臟；并在收到SSD主控返回的寫10命令后，向SSD主控下發(fā)所述vendor命 令，讀取對應(yīng)邏輯地址的FTL映射表項，讀取成功后，利用讀取出來的表項數(shù)據(jù)更新主機內(nèi) 存中記錄的FTL映射表項，同時將被SSD驅(qū)動標記為臟的FTL映射表項重新標記為干凈；
[0021] SSD主控：用于在收到讀10命令后，檢查讀10命令中的相關(guān)標記，若發(fā)現(xiàn)是讀物 理地址的特殊10,直接讀取對應(yīng)Flash物理地址的數(shù)據(jù)，并返回給主機；或者在收到寫10 命令后，將數(shù)據(jù)寫入Flash，同時更新FTL映射表項，并返回寫入結(jié)果給主機；
[0022] Flash :用于存放SSD主控寫入的數(shù)據(jù)。
[0023] 所述主機包括：
[0024] APP或上層：用于下發(fā)讀IO命令或?qū)慖O命令；接收SSD主控返回的寫IO命令；
[0025] SSD驅(qū)動：用于在主機側(cè)保存一份完整的SSD FTL映射表的鏡像，同時在APP或上 層下發(fā)讀IO命令時，查找讀IO邏輯地址對應(yīng)的FTL映射表項，根據(jù)FTL映射表項記錄的物 理地址，下發(fā)讀物理地址的特殊IO命令到SSD主控；在APP或上層下發(fā)寫IO命令時，將對 應(yīng)的FTL映射表項標記為臟；
[0026] 內(nèi)存：用于加載SSD驅(qū)動，并通過vendor命令，讀取SSD的整張FTL映射表數(shù)據(jù)， 將所有FTL映射表項均標記為干凈表項；并在APP或上層接收SSD主控返回的寫IO命令 后，向SSD主控下發(fā)vendor命令，讀取對應(yīng)邏輯地址的FTL映射表項，讀取成功后，利用讀 取出來的表項數(shù)據(jù)更新FTL映射表項，同時將被SSD驅(qū)動標記為臟的FTL映射表項重新標 記為干凈。
[0027] 進一步地，該系統(tǒng)還包括：
[0028] HIF :用于SSD主控與主機之間的數(shù)據(jù)交互；
[0029] FIF :用于SSD主控與Flash顆粒之間的數(shù)據(jù)交互。
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明讀取一份完整的FTL映射 表鏡像到主機內(nèi)存里，減少整個IO路徑上對Flash的讀次數(shù)，從而達到減小整個讀IO時延 的目的，最大限度地避免了讀IO請求無法命中FTL映射表的現(xiàn)象，減少甚至消除IO過程中 從Flash介質(zhì)上獲取映射表項的步驟，降低了系統(tǒng)的平均讀寫IO時延。
【附圖說明】
[0031] 圖1為SSD主控緩存中的多級映射表；
[0032] 圖2為現(xiàn)有SSD主控結(jié)構(gòu)與主機系統(tǒng)接口與結(jié)構(gòu)框圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明SSD主控結(jié)構(gòu)與主機系統(tǒng)接口與結(jié)構(gòu)框圖；
[0034] 圖4為本發(fā)明方法時序圖。
【具體實施方式】
[0035] 本發(fā)明的SSD主控結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要包括如下幾個部分：
[0036] 一、主機側(cè)SSD驅(qū)動
[0037] SSD驅(qū)動主要負責(zé)在主機側(cè)保存一份完整的SSD FTL映射表的鏡像，同時負責(zé)根 據(jù)主機側(cè)FTL鏡像映射表將過往讀IO請求中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，然后按照接口協(xié) 議（如SATA和NVMe等）發(fā)送給SSD。
[0038] 主要流程如下：
[0039] 1、主機側(cè)加載SSD驅(qū)動時，在內(nèi)存中分配足夠內(nèi)存空間。然后通過自定義vendor 命令，讀取SSD的整張FTL映射表數(shù)據(jù)到主機內(nèi)存。此時所有FTL映射表項都標記為干凈 表項。
[0040] 2、驅(qū)動檢測并適配主機側(cè)業(yè)務(wù)下發(fā)的讀10。
[0041] 主機側(cè)業(yè)務(wù)