本發明專利技術公開了一種基于負載控制的提高閃存固態硬盤持久性方法，目的是提出一種通過控制負載分流和負載寫入時間間隔來提高閃存固態硬盤持久性的方法，既保證閃存固態硬盤達到用戶提出的合理期望壽命，又減小對系統讀寫響應性能的影響。技術方案是先構建分流緩沖持久性保障系統，在計算機操作系統應用層安裝主控軟件，由主控軟件對分流緩沖持久性保障系統進行初始化，通過控制負載分流和負載寫入時間間隔對閃存固態硬盤進行持久性保證。采用本發明專利技術既可有效提高閃存固態硬盤的持久性，保證硬盤使用時間達到用戶預期壽命要求，又可提高閃存固態硬盤利用率。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及提高基于固態硬盤的存儲系統持久性的方法，尤其是在多級存儲體系結構中通過控制負載分流和負載寫入時間間隔來提高閃存固態硬盤持久性，確保閃存固態硬盤持久性達到用戶預期要求的方法。
技術介紹
近幾年，隨著計算機技術不斷發展，存儲應用的需求不斷提高。閃存固態硬盤以其卓越的響應速率和低能耗成為新一代存儲系統中日益重要的組成部分。然而，閃存固態硬盤成本較高，且擦寫次數有限。閃存固態硬盤的持久性是指其每個比特位的擦除次數有上限，當超過此上限后，該比特位出錯率大幅上升直至不可使用。因而如何提高其持久性從而降低成本成為存儲系統設計中的重要問題。在典型的基于閃存固態硬盤的多級存儲體系結構中，閃存固態硬盤通常作為多級存儲體系結構中的一級，數據首先在內存中緩沖，然后寫入閃存固態硬盤，由于閃存固態硬盤的容量有限，數據最終會從閃存固態硬盤移到機械磁盤，這就造成了閃存固態硬盤的數據擦除，當這種擦除達到閃存固態硬盤的額定上限后，閃存固態硬盤的壽命用盡。目前常見的提高閃存固態硬盤持久性方法包括I)基于閃存轉換層(FTL)的提高持久性方法。FTL是閃存固態硬盤設備自帶的軟件管理層，位于硬盤設備上，負責管理固態硬盤上的閃存芯片。數據寫入硬盤后，FTL對其進行虛實地址映射，實現原地址更新、垃圾回收、擦寫均衡等功能，并采用改進地址映射方式、數據放置策略、垃圾回收機制等方法提高硬盤持久性。這類方法的缺點是，由于FTL位于硬盤設備上，因此基于FTL的方法是在硬盤設備層優化持久性，不能從根本上減輕硬盤的負載壓力，只能在既定負載下盡力提高硬盤壽命。2)基于輸入輸出(IO)模式的提高持久性方法。這類方法是通過改進上層系統對閃存固態硬盤的IO方式，感知閃存固態硬盤設備隨機讀取速度高、隨機寫入速度低、更新開銷大等特點，將不適合閃存固態硬盤的IO訪問轉換為其適合的IO模式，從而最大限度發揮閃存固態硬盤的優勢同時避開其劣勢。現有的很多研究通過改進數據的組織和索引結構、采用緩沖和批處理方法、采用順序添加或環形槽機制等，優化系統IO模式，提高閃存固態硬盤持久性。這一類方法在系統層優化負載寫入方式，可減輕閃存固態盤的負載，但和上一類方法一樣，依然只能盡力增加閃存固態硬盤的持久性，不能保證硬盤使用壽命達到用戶指定的時間。3)基于負載控制的提高持久性方法。基于FTL和基于IO模式的持久化方法只能盡力延長閃存固態硬盤的壽命，不能保證其使用壽命達到用戶預設的要求，而基于負載控制的方法可很好地解決這個問題。韓國首爾國立大學和三星電子于2012年聯合提出了一種基于負載控制的提高持久性方法，步驟如下第一步根據閃存固態硬盤的最大擦寫能力和用戶期望壽命(用戶自己設定的希望閃存固態硬盤使用的時間壽命)，計算出單位時間的額定寫入負載量；第二步記錄單位時間的負載寫入量，當達到額定量時，停止寫入，從而保證在期望壽命到達前總寫入負載不會超過固態盤報銷上限。第三步根據歷史負載寫入情況和閃存自恢復性，動態調整單位時間寫入門限。基于負載控制的方法可保證達到用戶的期望壽命，如韓國首爾國立大學和三星電子提出的方法，但該方法未考慮存儲系統的結構和IO模式，未能對負載進行優化，對系統讀寫響應性能的影響較大。如何保證對系統讀寫響應性能的影響小的條件下提高閃存固態硬盤持久性是本領域技術人員極為關注的技術問題。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題在于針對基于固態硬盤的存儲系統中的持久性問題， 提出通過控制負載分流和負載寫入時間間隔來提高閃存固態硬盤持久性的方法，既保證閃存固態硬盤達到用戶提出的合理期望壽命，又減小對系統讀寫響應性能的影響。為了解決上述技術問題，本專利技術的技術方案為第一步，構建分流緩沖持久性保障系統在內存中建立分流緩沖器，分流緩沖器分為三個區候選區、緩沖區和溢出區。每條數據大小相等，寫入的數據按到達時間順序先放置在候選區，候選區裝滿后從候選區移入緩沖區，緩沖區裝滿后從緩沖區移入溢出區。閃存固態硬盤通過主板上的外部設備擴展接口(PCI)連接中央處理器(CPU)。閃存固態硬盤上存儲的數據以塊(Block)為單位進行寫入和擦除。分流緩沖器中的三個區都與Block大小相等。第二步，在計算機操作系統應用層安裝主控軟件，由主控軟件對分流緩沖器、閃存固態硬盤、機械磁盤的讀寫進行控制，并在內存中建立各種計數器模塊 分流緩沖器計時器，用于記錄從上次分流緩沖器刷寫數據到當前時刻經過了多久； 分流緩沖器熱度記錄器，用于記錄分流緩沖器中的每個數據的熱度，分流緩沖器第m條數據的熱度記為Cm，每當該條數據被訪問一次時，它對應的熱度Cm加1，m為正整數。 閃存固態硬盤熱度記錄器，用于記錄閃存固態硬盤中存儲的每個Block的熱度，每當某個Block中的任意一條數據被訪問一次，該Block的熱度加I ; 閃存固態硬盤計時器，用于記錄每個Block數據在閃存固態硬盤中存放了多久； 熱度閥值C，當數據熱度小于C時將該數據從分流緩沖器移出寫入機械磁盤。C的值將在第三步初始化中進行設定。第三步，由主控軟件對分流緩沖持久性保障系統進行初始化3.1根據所使用的閃存固態硬盤設備信息設定最大擦除次數PE (約為每數據位3000次)，并根據用戶需求和負載情況設定一個期望壽命Le (約為8*107到15*107秒)。3. 2讀取當前內核時間，記為開始時間3. 3對各計數器模塊賦值將分流緩沖器計時器初始化為0并開始計時；將分流緩沖器熱度記錄器、閃存固態硬盤熱度記錄器、閃存固態硬盤計時器、熱度閥值C均初始化為0,令變量m = 0 ；3. 4將分流緩沖器中的三個區清空。第四步，采用以下方法對閃存固態硬盤進行持久性保證。4.1計算負載寫入最小間隔時間本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于負載控制的提高閃存固態硬盤持久性方法，其特征在于包括以下步驟：第一步，構建分流緩沖持久性保障系統：在內存中建立分流緩沖器，分流緩沖器分為三個區：候選區、緩沖區和溢出區；寫入的數據按到達時間順序先放置在候選區，候選區裝滿后從候選區移入緩沖區，緩沖區裝滿后從緩沖區移入溢出區；閃存固態硬盤通過主板上的外部設備擴展接口PCI連接中央處理器CPU；第二步，在計算機操作系統應用層安裝主控軟件，由主控軟件對分流緩沖器、閃存固態硬盤、機械磁盤的讀寫進行控制，并在內存中建立各種計數器模塊，包括：分流緩沖器計時器，用于記錄從上次分流緩沖器刷寫數據到當前時刻經過了多久；分流緩沖器熱度記錄器，用于記錄分流緩沖器中每個數據的熱度，分流緩沖器第m條數據的熱度記為Cm，每當該條數據被訪問一次時，它對應的熱度Cm加1，m為正整數；閃存固態硬盤熱度記錄器，用于記錄閃存固態硬盤中存儲的每個Block的熱度，每當某個Block中的任意一條數據被訪問一次，該Block的熱度加1；閃存固態硬盤計時器，用于記錄每個Block數據在閃存固態硬盤中存放了多久；熱度閥值C，當數據熱度小于C時將該數據從分流緩沖器移出寫入機械磁盤；第三步，由主控軟件對分流緩沖持久性保障系統進行初始化：3.1根據所使用的閃存固態硬盤設備信息設定最大擦除次數PE，并根據用戶需求和負載情況設定一個期望壽命LE；3.2讀取當前內核時間，記為開始時間t0；3.3對各計數器模塊賦值：將分流緩沖器計時器初始化為0并開始計時；將分流緩沖器熱度記錄器、閃存固態硬盤熱度記錄器、閃存固態硬盤計時器、熱度閥值C均初始化為0，令變量m＝0；3.4將分流緩沖器中的三個區清空；第四步，采用以下方法對閃存固態硬盤進行持久性保證：4.1計算負載寫入最小間隔時間TH，其中S為閃存固態硬盤中的Block的個數；4.2判斷當前分流緩沖區計時器記錄的時間TSB是否大于TH，若是，則轉4.3，否則 轉第五步；4.3判斷候選區是否裝滿，若是則轉4.4，否則回到4.3繼續等待直到候選區裝滿；4.4計算候選區單位時間熱度，計算閃存固態硬盤中每個Block的單位時間熱度，將候選區單位時間熱度與閃存固態硬盤中單位時間熱度最小的Block進行對比，若候選區單位時間熱度大于閃存固態硬盤中單位時間熱度最小的Block，則轉4.5，否則轉第五步。4.5將閃存固態硬盤中單位時間熱度最小的Block遷移到機械磁盤，然后擦除該Block，將候選區數據寫入該Block，將閃存固態硬盤熱度記錄器中對應該Block的熱度和閃存固態硬盤計時器中對應該Block的時間清零；4.6調整負載寫入最小間隔時間為T’H，其中t為閃存固態硬盤當前使用了多久，由當前內核時間減去開始時間t0可求得，K為閃存固態硬盤當前已經歷的擦除次數；4.7將m和熱度閥值C清0；4.8判斷是否從鍵盤接收到用戶中斷，若有中斷則轉第六步，若無中斷則返回第四步；第五步，對分流緩沖器中的數據進行篩選分流，方法是：5.1判斷分流緩沖器中的緩沖區是否裝滿，若是，執行5.2，否則轉第四步。5.2進行數據篩選，讀取分流緩沖器熱度記錄器，得到第m條數據的熱度為Cm，若Cm小于C，執行5.3，否則m加1，轉5.4；5.3將第m條數據移出分流緩沖器，寫入機械磁盤，然后將分流緩沖器中第m條之后的各條數據依次向前移動一位，返回第三步；5.4比較m與候選區總數據條數，若m小于等于候選區總數據條數，轉5.2繼續篩選，否則轉5.5.5.5將m清0，熱度閥值C＝C+1，轉5.2；第六步，結束。FDA00001909424500011.jpg,FDA00001909424500021.jpg...
【技術特征摘要】
1.一種基于負載控制的提高閃存固態硬盤持久性方法，其特征在于包括以下步驟第一步，構建分流緩沖持久性保障系統在內存中建立分流緩沖器，分流緩沖器分為三個區候選區、緩沖區和溢出區；寫入的數據按到達時間順序先放置在候選區，候選區裝滿后從候選區移入緩沖區，緩沖區裝滿后從緩沖區移入溢出區；閃存固態硬盤通過主板上的外部設備擴展接口 PCI連接中央處理器CPU ； 第二步，在計算機操作系統應用層安裝主控軟件，由主控軟件對分流緩沖器、閃存固態硬盤、機械磁盤的讀寫進行控制，并在內存中建立各種計數器模塊，包括 分流緩沖器計時器，用于記錄從上次分流緩沖器刷寫數據到當前時刻經過了多久； 分流緩沖器熱度記錄器，用于記錄分流緩沖器中每個數據的熱度，分流緩沖器第m條數據的熱度記為Cm，每當該條數據被訪問一次時，它對應的熱度Cm加1，m為正整數； 閃存固態硬盤熱度記錄器，用于記錄閃存固態硬盤中存儲的每個Block的熱度，每當某個Block中的任意一條數據被訪問一次，該Block的熱度加I ; 閃存固態硬盤計時器，用于記錄每個Block數據在閃存固態硬盤中存放了多久； 熱度閥值C，當數據熱度小于C時將該數據從分流緩沖器移出寫入機械磁盤； 第三步，由主控軟件對分流緩沖持久性保障系統進行初始化 .3.1根據所使用的閃存固態硬盤設備信息設定最大擦除次數PE，并根據用戶需求和負載情況...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張菁，廖湘科，任怡，吳慶波，易曉東，何連躍，戴華東，管劍波，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科學技術大學，
類型：發明
國別省市：
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