一種固態(tài)盤內(nèi)部緩存管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)存儲技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種固態(tài)盤內(nèi)部緩存管理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 閃存（NANDFLASH)具有讀、寫速度快，能耗低及抗震性好的特點(diǎn)，因此，基于閃存 的固態(tài)盤已廣泛應(yīng)用于高端服務(wù)器及筆記本電腦。存芯片由很多數(shù)據(jù)塊組成，每個(gè)數(shù)據(jù)塊 又包含多個(gè)數(shù)據(jù)頁。閃存中，讀、寫操作的最小單位為頁，閃存芯片可以隨機(jī)讀閃存中的任 意一頁，但寫操作時(shí)如果目標(biāo)頁中以前有數(shù)據(jù)，則必須先將該頁的數(shù)據(jù)擦除，然后才能寫新 的數(shù)據(jù)，閃存擦除的單位為塊，即每次至少擦除一塊，同時(shí)，對某個(gè)具體閃存塊，它的擦除次 數(shù)是有限的；閃存中讀、寫操作所需時(shí)間是不對稱的，在閃存中寫一頁所需時(shí)間通常是讀一 頁所需時(shí)間的8~12倍。為了提高基于閃存的固態(tài)盤的性能，在基于閃存的固態(tài)盤中，通 常會加入一個(gè)高速的緩存用于臨時(shí)存放系統(tǒng)將來可能再次使用的數(shù)據(jù)，因此，如何有效管 理固態(tài)盤內(nèi)部的緩存對提高固態(tài)盤性能及壽命具有重要的意義。
[0003]目前常用的緩存管理算法有LeastRecentlyUsed(LRU)、2queue(2Q)、Low Inter-referenceRecencySet(LIRS)、AdaptiveReplacementCache(ARC)等，這些常用 的緩存管理算法都是針對主機(jī)端的緩存管理。由于閃存具有讀、寫不對稱的特點(diǎn)，因此直接 將它們用在固態(tài)盤內(nèi)部的緩存管理中效果并不理想。
[0004] 針對固態(tài)盤內(nèi)部的緩存管理算法主要有針對混合映射FlashTranslation Layer(FTL)的BPLRU(BlockPaddingLeastRecentlyUsed)算法和針對頁映射的 CFLRU(Clean-FirstLRU)算法，BPLRU算法是當(dāng)訪問到閃存中某塊的任一頁時(shí)，就將其整個(gè) 塊調(diào)入緩存中，換出緩存時(shí)也是將整個(gè)塊一次性寫回FLASH，該算法的優(yōu)點(diǎn)是可以將隨機(jī)讀 寫轉(zhuǎn)換成順序讀寫，同時(shí)減少混合存儲中合并（merger)操作；但BPLRU法不適用于頁映射 的固態(tài)盤，因?yàn)轫撚成涞墓虘B(tài)盤中每個(gè)邏輯頁可以映射到固態(tài)盤任意的物理頁上。
[0005] 頁映射FTL具有簡單、高效的特點(diǎn)，目前固態(tài)盤中常采用頁映射FTL算法，在頁映 射FTL固態(tài)盤中，SSD內(nèi)部緩存管理通常采用CFLRU算法，當(dāng)緩存寫滿數(shù)據(jù)需要替換時(shí)，緩 存中只要存在干凈數(shù)據(jù)頁，就將干凈數(shù)據(jù)頁以LRU方式替換出去；CFLRU法沒有考慮干凈數(shù) 據(jù)頁（讀數(shù)據(jù)）在將來系統(tǒng)是否還會再訪問，在極端情況下，該方法會退化成只對臟數(shù)據(jù)頁 (寫數(shù)據(jù)）進(jìn)行緩存的LRU算法；在以讀操作為主的負(fù)載中，CFLRU的命中率會很低，從而影 響SSD的性能和壽命；同時(shí)，CFLRU將導(dǎo)致很多一次性寫數(shù)據(jù)長期滯留在緩存中，影響固態(tài) 盤的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種固態(tài)盤內(nèi)部緩存管理方 法，其目的在于解決現(xiàn)有固態(tài)盤內(nèi)部緩存管理方法緩存命中率低的問題。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種固態(tài)盤內(nèi)部緩存管理方法，具體包括如下 步驟：
[0008] (1)當(dāng)固態(tài)盤接收到上層訪問數(shù)據(jù)頁X命令，設(shè)置數(shù)據(jù)頁X權(quán)值的初始值；并判斷 數(shù)據(jù)頁X是否處于隊(duì)列Alin中；若是，則訪問該數(shù)據(jù)頁，進(jìn)入步驟（9);若否，則進(jìn)入步驟 (2)；
[0009] (2)判斷數(shù)據(jù)頁X是否處于環(huán)AClock中，若是，則進(jìn)入步驟（3)，若否，則進(jìn)入步驟 (5)；
[0010] (3)判斷訪問數(shù)據(jù)頁X的動(dòng)作是否為讀操作，若是，將該數(shù)據(jù)頁X移到環(huán)AClock的 尾部，進(jìn)入步驟（9);若否，則表明訪問數(shù)據(jù)頁X的動(dòng)作為寫操作，進(jìn)入步驟（4);
[0011] (4)將該數(shù)據(jù)頁X的權(quán)值設(shè)置為最大值，并將該數(shù)據(jù)頁X移到環(huán)AClock的尾部，進(jìn) 入步驟（9);
[0012] (5)為數(shù)據(jù)頁X在緩存中分配空間，進(jìn)入步驟（6);
[0013] (6)判斷數(shù)據(jù)頁X的標(biāo)識是否在隊(duì)列Alout中，若是，進(jìn)入步驟（7);若否，則進(jìn)入 步驟（8);
[0014] (7)設(shè)置數(shù)據(jù)頁X權(quán)值的初始值，并將該頁插入到AClock的尾部，進(jìn)入步驟（9);
[0015] (8)將數(shù)據(jù)頁X插入到隊(duì)列Alin的頭部，進(jìn)入步驟（9);
[0016] (9)結(jié)束讀寫訪問；
[0017] 其中，Alin是指固態(tài)盤中內(nèi)部緩存中的一個(gè)先進(jìn)先出隊(duì)列；Alout是指固態(tài)盤內(nèi) 部緩存中的一個(gè)近期最少使用隊(duì)列，即LRU隊(duì)列；AClock是固態(tài)盤內(nèi)部緩存中一個(gè)用指針 連接起來的單向環(huán)，該單向環(huán)中保存了兩個(gè)指針，頭部指針和尾部指針，尾部指針緊連著頭 部指針，即尾部指針的下一節(jié)點(diǎn)指向頭部節(jié)點(diǎn)；
[0018] Alin和AClock均用于存放緩存數(shù)據(jù)；Alout用于存放數(shù)據(jù)頁的標(biāo)識；當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù) 頁從Alin中替換出緩存時(shí)，將該數(shù)據(jù)頁的標(biāo)識保存到Alout隊(duì)列；當(dāng)一個(gè)頁面從AClock環(huán) 中替換出緩存時(shí)，將該頁丟棄。
[0019] 優(yōu)選的，設(shè)置數(shù)據(jù)頁X權(quán)值的初始值的方法具體如下：
[0020] (a)對于寫操作，數(shù)據(jù)頁X權(quán)值初始值的設(shè)定方法為：
[0021] 將閃存寫一個(gè)數(shù)據(jù)頁所用的時(shí)間除以閃存讀一個(gè)數(shù)據(jù)頁所用的時(shí)間，對獲得的結(jié) 果乘以系數(shù)〇. 6,再取整，獲得寫權(quán)值初始值；如果系數(shù)太大則緩存中將保存大量的一次性 訪問的寫數(shù)據(jù)頁，如果系數(shù)太小，則很多將來可能再次被訪問的寫數(shù)據(jù)頁可能會被替換出 緩存，導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低，壽命減??；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)系數(shù)為〇. 6時(shí)系統(tǒng)能達(dá)到較優(yōu)的結(jié) 果；如下公式所示：
[0022]
[0023] 其中，丨1:表示對數(shù)值取整；
[0024] (b)對于讀操作，數(shù)據(jù)頁權(quán)值初始值為0。
[0025] 優(yōu)選的，上述步驟（4)中，將數(shù)據(jù)頁X的權(quán)值取5 ;寫的開銷10倍于讀操作；對于 寫操作而言，若寫權(quán)值過大，則會延長一次性寫數(shù)據(jù)頁在緩存中的停留時(shí)間，將導(dǎo)致很多將 來可能再被訪問的讀數(shù)據(jù)被替換出緩存，影響系統(tǒng)整體性能；如果寫權(quán)值過小，則寫數(shù)據(jù)頁 將會較快的替換出緩存，會降低寫操作的命中率。
[0026] 優(yōu)選的，Alin隊(duì)列長度最大值Kin為緩存大小的20%~30% ;AClock環(huán)的大小為 緩存總量的70%~80% ;Alout隊(duì)列保存了各數(shù)據(jù)頁的標(biāo)識，在Alout隊(duì)列中，可保存標(biāo)識 的最大個(gè)數(shù)Kout為緩存所能存放數(shù)據(jù)頁面?zhèn)€數(shù)的40 %~60 %。
[0027] 優(yōu)選的，所述在緩存中為數(shù)據(jù)頁X分配空間的方法，具體包括如下步驟：
[0028] (5. 1)判斷緩存中是否有空閑空間，若是，則進(jìn)入步驟（5. 2)，若否，則進(jìn)入步驟 (5. 3);
[0029] (5. 2)將數(shù)據(jù)頁X存入分配到的緩存空間節(jié)點(diǎn)Z中，進(jìn)入步驟（5. 12);
[0030] (5. 3)判斷隊(duì)列Alin長度是否大于Alin隊(duì)列長度最大值Kin，若是，則進(jìn)入步驟 (5.4);若否，則進(jìn)入步驟（5. 10);
[0031] (5.4)將Alin尾部的數(shù)據(jù)塊替換出緩存，替換出的數(shù)據(jù)記為Y，進(jìn)入步驟（5.5);
[0032] (5. 5)將數(shù)據(jù)頁X放入替換出的緩存節(jié)點(diǎn)Z中，進(jìn)入步驟（5. 6);
[0033] (5. 6)提取替換出的數(shù)據(jù)Y的標(biāo)志位，進(jìn)入步驟（5. 7);
[0034] (5. 7)判斷隊(duì)列Alout長度是否大于Alout隊(duì)列可保存標(biāo)識符的最大個(gè)數(shù)Kout， 若是，進(jìn)入步驟（5.8);若否，則進(jìn)入步驟（5.9);
[0035] (5. 8)將Alout的尾部節(jié)點(diǎn)從Alout隊(duì)列中刪除，進(jìn)入步驟（5. 9);
[0036] (5. 9)將上述替換出的數(shù)據(jù)Y的標(biāo)志位放入新的節(jié)點(diǎn)L中，將L節(jié)點(diǎn)的下一節(jié)點(diǎn)指 向Alout的頭節(jié)點(diǎn)，并將L節(jié)點(diǎn)作為Alout的頭節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入步驟（5. 12);
[0037] (5. 10)獲取AClock頭部節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)頁的權(quán)值，判斷該權(quán)值是否為0,若是，則進(jìn)入步 驟（5. 12);若否，則進(jìn)入步驟（5. 11);
[0038] (5. 11)將該數(shù)據(jù)頁權(quán)值減1，使尾部指針指向頭部頁節(jié)點(diǎn)，頭部指針指向下一個(gè) 數(shù)據(jù)頁節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入步驟（5. 10);
[0039] (5. 12)將頭部節(jié)點(diǎn)記作Z，使頭部指針指向Z節(jié)點(diǎn)的下一節(jié)點(diǎn)，使尾部指針的下一 節(jié)點(diǎn)指向頭部節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入步驟（5. 13);
[0040] (5. 13)將Z節(jié)點(diǎn)從AClock中剝離，將數(shù)據(jù)X放入Z節(jié)點(diǎn)中，進(jìn)入步驟（5. 14);
[0041] (5. 14)函數(shù)返回Z節(jié)點(diǎn)，分配空間結(jié)束；
[0042] 在AClock中，初始時(shí)給讀數(shù)據(jù)頁和寫數(shù)據(jù)頁賦予不同的權(quán)值；在系統(tǒng)運(yùn)行過程 中，各數(shù)據(jù)頁的權(quán)值動(dòng)態(tài)變化，在AClock環(huán)中進(jìn)行替換操作時(shí)對權(quán)值為0的頁面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 替換；
[0043] 權(quán)值為0的數(shù)據(jù)頁有讀數(shù)據(jù)頁和在緩存中長時(shí)間沒被訪問的寫數(shù)據(jù)頁，由于讀數(shù) 據(jù)頁為干凈頁面，替換時(shí)不需要對閃存進(jìn)行操作，替換讀數(shù)據(jù)頁的開銷較??；當(dāng)權(quán)值為〇的 頁面為寫數(shù)據(jù)頁時(shí)，則表明該頁面在較長時(shí)間沒有被訪問，根據(jù)局部性原理，替換權(quán)值變?yōu)?〇的與數(shù)據(jù)頁可提尚緩存的命中率，從而提尚系統(tǒng)性能。
[0044] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，對寫操作及讀操 作數(shù)據(jù)頁賦予不同的權(quán)值，使寫數(shù)據(jù)頁在緩存中停留的時(shí)間比讀數(shù)據(jù)頁在緩存中停留的時(shí) 間更長，并根據(jù)數(shù)據(jù)頁的命中情況，動(dòng)態(tài)的調(diào)整各頁面的權(quán)值，使緩存在保持較高的總命中 率的情況下提高寫命中率，達(dá)到提高系統(tǒng)性能，延遲使用壽命的目的；具體能夠取得如下所 列的有益效果：
[0045] (1)本發(fā)明提供的固態(tài)盤內(nèi)部緩存管理方法，根據(jù)閃存讀、寫速度不對稱性的特 點(diǎn)，對固態(tài)盤內(nèi)部緩存中讀、寫數(shù)據(jù)頁賦予不同的權(quán)值；寫數(shù)據(jù)頁的權(quán)值大于讀數(shù)據(jù)頁；緩 存中數(shù)據(jù)頁的權(quán)值依據(jù)緩存中數(shù)據(jù)頁命中情況及數(shù)據(jù)頁在緩存中存放的時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào) 整，當(dāng)緩存寫滿數(shù)據(jù)需要替換時(shí)，系統(tǒng)查找緩存中權(quán)值為0的數(shù)據(jù)頁進(jìn)行替換；
[0046] 由于寫數(shù)據(jù)頁權(quán)值比讀數(shù)據(jù)也權(quán)值大，寫數(shù)據(jù)頁在緩存中的停留時(shí)間比讀數(shù)據(jù)頁 在緩存中停留的時(shí)間長，以提尚緩存與命中率；因此，在保證緩存總命中率（讀命中率+與 命中率）的情況下提高了寫數(shù)據(jù)頁的命中率，從而提高了固態(tài)盤的性能，同時(shí)延長了固態(tài) 盤的壽命；
[0047] (2)本發(fā)明提供的固態(tài)盤內(nèi)部緩存管理方法，具有與2Q等傳統(tǒng)的緩存管理算法相 當(dāng)?shù)目偯新剩ㄗx命中+寫命中），但由于本發(fā)明中將寫數(shù)據(jù)頁比讀數(shù)據(jù)頁賦予更高的權(quán) 值，使寫數(shù)據(jù)頁在緩存中停留的時(shí)間比讀數(shù)據(jù)頁停留的時(shí)間更長，提高了寫命中率；實(shí)驗(yàn)結(jié) 果顯不，它的與命中率比2Q等傳統(tǒng)算法最多可提尚30%;另外，在Aclock環(huán)中，各頁依據(jù) 局部性原理，動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)值，從而保證了系統(tǒng)具有較高的總命中率；
[0048] (3)本發(fā)明提供的固態(tài)盤內(nèi)部緩存管理方法，與基于頁映射的固態(tài)盤內(nèi)部緩存管 理算法如CFLRU比較而言，由于該發(fā)明緩存中使用了兩個(gè)隊(duì)列，消除了一次性數(shù)據(jù)對緩存 的污染；使其總命中率比