[发明专利]一种固态存储设备的地址分配方法

说明书

技术领域

本发明属于固态存储技术领域，更具体地，涉及一种固态存储设备的地址分配方法。

背景技术

固态存储设备是一类有别于机械硬盘的新型计算机存储设备。与传统硬盘相比，基于闪存的固态存储设备具有高密度，低能耗，无噪音，抗震动等特点，同时它具有较低的读写延时以及更高的吞吐率。

由于闪存介质的特点，基于闪存的固态存储设备还具有以下缺陷：

(1)先擦后写：闪存介质在写入数据时不能就地更新，需要先对目标地址的物理块进行擦除操作，然后再进行数据的更新。擦除操作和读写操作的基本单位不同，擦除操作以物理块为单位，读写操作以物理页为单位，通常一个物理块中包含有64或128个物理页。

(2)读、写和擦除操作的速度差异：在闪存介质中，单次的读操作时间约为15-50μs，写操作时间约为200μs，擦除操作时间约为50ms。读写速度的差异会带来读操作的阻塞问题，当读请求在写请求之后到达时，由于较长的写请求处理时间，会导致读请求等待一个较长的时间。擦除操作耗时长，会导致后续请求长时间等待。

(3)闪存寿命：闪存颗粒的寿命是按Program/Erase(编程/擦除)次数计算的，MLC(全称，多阶存储单元闪存)的寿命一般在1000-10000次，SLC(全称，单阶存储单元闪存)则在10万次左右。

为了充分利用闪存芯片的速度优势，并解决闪存芯片存在的问题，在固态存储设备中，加入了一个闪存转换层。闪存转换层主要提供地址映射，垃圾回收以及磨损均衡3个功能。地址映射是闪存转换层的核心，它通过一个映射表提供逻辑地址到物理地址的映射。垃圾回收的作用是回收固态存储设备中的失效页，合并整理为干净的物理块，增加设备的可用空间。磨损均衡用来保证固态存储设备中各个物理块之间擦除次数的均衡，保证固态存储设备的寿命以及可靠性。垃圾回收和磨损均衡等功能都依赖地址映射表来实现。

基于闪存的固态存储通常由多个独立通道组成，每个通道连接多颗闪存芯片，芯片内部又可以分为晶元、分组、块和页。单颗芯片的读写速度，单个通道的传输速度都有限，为了尽可能的提高固态存储设备的性能，就需要充分的利用通道和芯片间的并行性。

固态存储设备中，地址分配是指为需要写到设备中的逻辑页确定空闲物理页，根据选择物理页的范围主要分为静态分配方式、动态分配方式和混合分配方式。不同的地址分配方式对固态存储设备内部的并行性的利用方式不一样，所以对性能有着不同的影响。在通常情况下，静态分配方式的读性能优于动态分配方式，而写性能比动态分配方式差。

在静态分配方式中，逻辑页按预先定义好的规则被分配到指定的通道、芯片、晶元、分组中。根据分配规则的不同，可以分为多种不同的静态分配方式，根据<通道，芯片，晶元，分组>不同的排列组合顺序，可以排列成24种不同的静态分配方式。

在动态分配方式中，逻辑页可以选择设备中所有的空闲物理页。综合考虑通道、芯片、晶元、分组的忙闲，物理块的磨损程度等因素，最终确定分配的具体位置。使用全动态的分配方式，可以有效的提高写性能，让写请求在较短的时间获得响应。

混合分配方式结合静态分配方式以及动态分配方式的特点，通道、芯片、晶元、分组4个层次的分配部分使用静态规则指定，部分由动态规则指定。如静态的分配通道，根据忙闲动态的分配芯片、晶元、分组等。

目前，静态地址分配在固态存储设备中广泛应用，静态地址分配可以提供较好的连续读写性能，但随机读写的性能较差。请求分配到固态存储设备内部的具体位置，由请求的逻辑地址计算得到，当请求的逻辑地址随机分布时，会出现大量请求对固态存储设备内部通道等资源的争用，导致某些通道内请求十分密集，而某些通道请求较少甚至没有请求访问。尤其是读请求其访问的数据位置已根据地址确定，写请求占用通道资源时，读请求响应时间不断上升，固态存储设备的性能显著下降。

动态地址分配可以提高固态存储设备的写性能，但并不能有效的减少读写请求之间的冲突，读性能较静态地址分配降低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于通道权值的地址分配方法，其目的在于在固态盘内部实现读写请求调度，充分利用固态存储设备内部的并行性，由此解决固态存储设备在读写混合的工作环境中读写请求对其内部资源争用而导致的性能下降。

为实现上述目的，本发明提供了一种固态存储设备的地址分配方法，所述方法包括如下步骤：