一种面向页级FTL的缓冲区改进方法与流程

本发明属于固态硬盘算法设计技术领域，公开了一种面向页级ftl的缓冲区改进方法。

背景技术：

缓冲区算法设计是ssd固件设计中一个非常关键的问题，特别是对中高端的ssd的性能和寿命优化，缓冲区算法设计起着至关重要的作用。由于数据访问具有较高的时间局部性和空间局部性特征，缓冲区算法设计可以将访问频繁的数据缓存在缓冲区中，以减少对闪存的直接访问，提高cpu的读写效率。

数据置换策略是缓冲区算法设计的一个关键问题。传统的页级置换策略，即置换粒度为1个页。页级置换策略的优势在于细粒度的区分每个页的访问特点，缓冲区命中率更高，缺点在于可能会使闪存产生大量的存储碎片，而存储碎片过多会明显增加垃圾回收的开销。传统的块级置换策略，充分考虑了闪存良好的顺序写性能，以聚簇的方式将缓冲区中同一个逻辑块的数据页聚集在一起进行管理，缓冲区满后剔除也按照块进行，即将同一个逻辑块的数据页全部置换出缓冲区。块级置换策略的优势和劣势正好与页级置换策略相反。

再者，缓冲区结构设计是缓冲区算法设计的另一个关键问题。在硬盘访问中，更新频率与请求大小是相关的。当到来的请求大于4kb时，更新频率会明显降低。如果将访问频率较低的连续请求缓存到缓冲区后，会造成缓冲区污染，即没有时间局部性的数据占据了宝贵的存储空间，从而造成缓冲区的空间利用率下降。但是，直接将连续请求送给ftl处理，效果也不好，因为存在一个连续请求中的某个数据被二次访问，甚至是多次访问的现象。

终上所述，设计一个优秀的缓冲区改进算法对提升ssd的整体性能至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种面向页级ftl的缓冲区改进方法。通过本发明，在固态硬盘缓冲区管理层设计中，有着很好的实用性和应用前景。

本发明解决其技术问题采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1、将固态硬盘中的ram分成请求类型区分模块、随机请求处理区模块和连续请求处理区模块3个模块；

随机请求处理区模块：用来缓存随机请求的数据页，若连续请求处理区模块中的数据页累计被二次访问，也会加载到随机请求处理区模块中。

连续请求处理区模块：用来缓存具有高空间本地性请求(即连续请求)的数据页。在连续请求处理区模块中利用连续请求的高空间本地性，通过预取一组数据页到连续请求处理区模块，提升了连续请求处理区模块对连续请求的处理能力，从而进一步了提升系统的整体性能。

请求类型区分模块：用来判断新到来请求的请求类型，即区分请求是随机请求还是具有高空间本地性的连续请求。

步骤2、当请求到来时，请求类型区分模块判断该请求的请求类型。若该请求是随机请求，则将该请求交给随机请求处理区模块处理，若是连续请求，则交给连续请求处理区模块处理；

步骤3、若请求的数据页在随机请求处理区模块或在连续请求处理区模块时，即可立即得到服务。在服务的过程中判断该请求的读写类型，若是写请求，则用请求中的数据对该请求对应的模块中的旧数据页的数据进行覆盖，以实现更新。反之，则直接从模块中读取数据。

步骤4、当请求的数据页在连续请求处理模块，且该数据页被累计二次访问，则需将该请求的数据页加载到随机请求处理区模块中。

步骤5、当随机请求处理区模块没有存储空间时，根据lru策略，每次选择最近最少访问的簇进行置换；当连续请求处理区模块没有存储空间时，根据fifo策略，每次选择停留时间最长的一组簇进行置换。

本发明选取3个性能指标作为评价标准：缓存命中率、平均响应时间和闪存块擦除次数；具体解释如下：

1)缓冲区命中率：指请求的映射项在映射缓存中的命中比率，即直接在映射缓存中得到服务的请求占总请求的比例。

2)响应时间：指请求完成服务时间与到达时间的时间差，是垃圾回收、地址映射的开销以及数据访问时间的综合，也是衡量ssd性能的关键指标。

3)块擦除次数：包括地址转换块的擦除次数和数据块的擦除次数，直接决定了ssd的使用寿命。

本发明中，随机请求处理区模块和连续请求处理区模块都采用了聚簇的思想，即将属于同一个簇号(簇号＝逻辑页号/每一个簇中逻辑页的个数)的逻辑页聚集在一起，并且使用lru策略对所有的簇进行管理。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：实验结果显示，平均而言，本发明的缓冲区改进算法相比传统的lru算法，缓冲区命中率提升32.41％，响应时间减少26.89％，闪存块擦除次数减少30.28％；相比cflru算法，缓冲区命中率提升26.61％，响应时间减少19.08％，闪存块擦除次数减少20.55％。

附图说明

图1所示为本发明采用的聚簇技术的框架图；

图2为本发明的总体架构图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2-4所示，本发明一种面向页级ftl的缓冲区改进方法，解决其技术问题采用的技术方案包括如下步骤：

如图2所示：

步骤1、将固态硬盘中的ram分成请求类型区分模块、随机请求处理区模块和连续请求处理区模块3个模块；

随机请求处理区模块：用来缓存随机请求的数据页，若连续请求处理区模块中的数据页累计被二次访问，也会加载到随机请求处理区模块中。

连续请求处理区模块：用来缓存具有高空间本地性请求(即连续请求)的数据页。在连续请求处理区模块中利用连续请求的高空间本地性，通过预取一组数据页到连续请求处理区模块，提升了连续请求处理区模块对连续请求的处理能力，从而进一步了提升系统的整体性能。

请求类型区分模块：用来判断新到来请求的请求类型，即区分请求是随机请求还是具有高空间本地性的连续请求。

步骤2、当请求到来时，请求类型区分模块判断该请求的请求类型。若该请求是随机请求，则将该请求交给随机请求处理区模块处理，若是连续请求，则交给连续请求处理区模块处理；

步骤3、若请求的数据页在随机请求处理区模块或在连续请求处理区模块时，即可立即得到服务。在服务的过程中判断该请求的读写类型，若是写请求，则用请求中的数据对该请求对应的模块中的旧数据页的数据进行覆盖，以实现更新。反之，则直接从模块中读取数据。

步骤4、当请求的数据页在连续请求处理模块，且该数据页被累计二次访问，则需将该请求的数据页加载到随机请求处理区模块中。

步骤5、当随机请求处理区模块没有存储空间时，根据lru策略，每次选择最近最少访问的簇进行置换；当连续请求处理区模块没有存储空间时，根据fifo策略，每次选择停留时间最长的一组簇进行置换。

本发明选取3个性能指标作为评价标准：缓存命中率、平均响应时间和闪存块擦除次数；具体解释如下：

1)缓冲区命中率：指请求的映射项在映射缓存中的命中比率，即直接在映射缓存中得到服务的请求占总请求的比例。

2)响应时间：指请求完成服务时间与到达时间的时间差，是垃圾回收、地址映射的开销以及数据访问时间的综合，也是衡量ssd性能的关键指标。

3)块擦除次数：包括地址转换块的擦除次数和数据块的擦除次数，直接决定了ssd的使用寿命。

本发明中，随机请求处理区模块和连续请求处理区模块都采用了聚簇的思想，即将属于同一个簇号(簇号＝逻辑页号/每一个簇中逻辑页的个数)的逻辑页聚集在一起，并且使用lru策略对所有的簇进行管理，如图1所示。

在图2中，描述了一种面向页级ftl的缓冲区改进算法的总体架构图，其中包括：1、请求类型区分模块；2、随机请求处理区模块；3、连续请求处理区模块。

实施例1：

现结合图3和图4，详细说明本发明的实施范例，其详细描述了算法的处理流程。

在该示例中，本发明弱化了缓冲区空间的大小，且随机请求处理区模块和连续请求处理区模块的簇都由4个数据页组成。假设请求到达的顺序如下：(131,1,w)，(0,2,r)，(12,4,w)，(2,1,w)，其中，括号内的三个参数分别表示请求的初始逻辑页号、请求的大小和请求类型。假设随机请求处理区模块和连续请求处理区模块都已没有存储空间，如图3所示。

本发明处理流程：当请求(131,1,w)到来时，由于请求的数据在连续请求处理区模块且被二次访问，需要将其加载到随机请求处理区模块中，这时随机请求处理区模块已满，则剔除、更新数据页236-239到闪存中，然后加载数据页131到随机请求处理区模块中。当请求(0,2,r)到来时，由于该请求不在缓冲区，则从闪存中读取数据页0，1到随机请求处理区模块中。当请求(12,4,w)到来时，由于该请求不在缓冲区中，请求类型区分模块判断需要加载该请求的数据到连续请求处理区模块中，这时发现连续请求处理区模块已满，则剔除、更新数据页200-203到闪存中，然后加载数据页12-15到连续请求处理区模块中。当请求(2,1,w)到来时，由于该请求不在缓冲区中，请求类型区分模块判断需要加载数据页2到随机请求处理区模块中。缓冲区的最终状态如图4所示。