[发明专利]一种基于超级块的固态硬盘SSD双区磨损均衡处理方法

说明书

本发明公开了一种基于超级块结构的固态硬盘SSD磨损均衡处理方法，该方法在固态硬盘的超级块结构下，通过将整个系统分为双区块(A,B)，并将双区各自的超级块(D)进行冷热错位排列，在垃圾回收时采取错位回收(C)的方式，将超级块的热数据根据错位法则回收进另一区的冷数据块(400)，将冷数据回收进另一区的热数据块(300)，该方法实现在垃圾回收的同时，不消耗额外的读写操作完成磨损均衡处理。本发明在双区磨损均衡的基础之上另兼容了一种利用备用区块(700)处理垃圾回收时有效数据过多的方法。总体上，本发明减少了额外闪存读写开销，达到提升性能，延长寿命的效果。

技术领域

本发明涉及一种基于超级块的固态硬盘SSD双区磨损均衡处理方法，属于电子信息、集成电路设计领域。

背景技术

1967年，贝尔实验室韩裔科学家姜大元和华裔科学家施敏发明了浮栅晶体管(Floating Gate Transistor)，奠定了固态硬盘SSD技术的基础。浮栅晶体管相比MOSFET多了Floating Gate，即悬浮栅层，该层被高阻抗的材料包裹，上下绝缘，从而能够保存电荷，确保SSD数据的不易失性。从技术参数上看，固态硬盘SSD相较机械硬盘HDD具有性能好、功耗低、抗震防摔性好等优势，而HDD则目前存在着价格上的优势，然而随着SSD技术的更替与进步，价格的优势势必在未来将不复存在。

固态硬盘SSD的存储介质主要有Flash,RAM,3D XPoint等，本发明所述的SSD存储介质指NAND Flash。NAND Flash闪存具有以下重要的特性：

1)闪存物理块不能进行覆盖写

不能覆盖写意味着闪存必须先将块中的数据进行擦除，才能将新数据写入原来的位置。因此为了提升闪存的速度，引入了有效数据与无效数据的概念，既当新数据需将写入时，并不将原有数据块擦除，而是将新数据写入新的页位置，并标记数据为有效数据，原有数据为无效数据。然而随着系统的运行，有效数据增多的同时，无效数据也在不停的增多，并变为垃圾数据。垃圾数据的存在使得闪存的存储空间不断减小，从而迫使整个系统需进行回收垃圾的操作，简称垃圾回收(GC,Garbage Collection)。垃圾回收操作的实质就是将闪存块内的有效数据搬移到新的空闲块中，并将该闪存块擦除，从而腾出新的存储空间。

2)闪存块具有阈值擦操作

由于闪存的物理特性，闪存的单个物理块在多次擦除之后，寿命将被耗尽从而变为坏块。这就意味着在日常操作固态硬盘系统时，不能盯着小部分块进行集中操作，否则这小部分闪存块将在短时间变为坏块，从而导致系统性能下降甚至报废。因此，整个固态硬盘系统需要加入磨损均衡机制(Wear Leveling)，该机制需确保将数据的实时更新均摊到每一个闪存块上。

3)热数据与冷数据

热数据指存储于固态硬盘系统的某个特定的数据或数据群，其特点是在过去或者未来会发生频繁的更新。冷数据与热数据相反，既更新的不频繁甚至长期不发生更新的数据。冷热数据的存在使得磨损均衡机制在考虑均匀擦写的同时，也得避免冷数据在一个闪存块长期的停留以及热数据在小范围的闪存块之间频繁的更新。冷数据的长期停留以及热数据的局部频繁更新都将造成闪存块之间擦除方差的增大。

4)固态硬盘的读写放大