[发明专利]利用固态硬盘作为计算机写缓存的存储系统以及相应的管理调度方法

说明书

技术领域

本发明涉及数据信息处理，特别是涉及一种利用固态硬盘作为计算机写缓存的存储系统及相应的管理调度方法。 

背景技术

磁盘缓慢的寻道时间已经成为大型数据处理应用中的瓶颈所在。相比CPU纳秒级别的处理速度，磁盘毫秒级的寻道时间严重影响了整个系统的响应时间和吞吐率。固态硬盘作为一种新型的电学存储介质，具有极高的随机访问速度，被认为是下一代的主流存储设备。 

然而我们注意到，当前的固态硬盘要完全取代磁盘仍然是不现实的，究其原因有以下两点：首先固态硬盘的容量较小，同等价格能购买的固态硬盘的容量只有磁盘的几百分之一甚至几千分之一，完全使用固态硬盘来存储所有数据的成本是极其高昂的；其次固态硬盘的存储芯片闪存具有读写不对称性，对闪存进行小数据量的随机写往往需要对较大范围进行一次很慢的擦除操作，因此当前的固态硬盘尽管拥有极其强劲的随机读和顺序读写的性能，但其随机写的性能相对磁盘并没有明显的优势，是固态硬盘的性能瓶颈所在。 

在这一背景下，如何利用好固态硬盘，使之在整个存储架构中充分发挥其优势、避免其缺陷是一个具有重要意义的技术问题，是提高计算机系统在大规模数据应用中的性能的关键所在。 

发明内容

本发明目的在于提供一种利用固态硬盘作为计算机写缓存的存储系统，以及基于其上的调度方法，充分发挥固态硬盘高带宽以及高速随机读的优势、避免其低速随机写的劣势，大幅度提高系统的响应性能。 

为达到上述目标，本发明公开了一种利用固态硬盘作为计算机写缓存的存储系统，包括： 

一块或多块小容量、访问速度较快的固态硬盘设备，和 

一块或多块大容量、访问速度较慢的传统磁盘设备， 

上述设备通过标准PCI-E、SAS或SCSI接口之一与所述计算机的总线相连，并对所述计算机系统可见。 

上述存储系统，其特征还在于：所述计算机的初始数据均存储在上述磁盘上，其中所述固态硬盘在系统运行中动态缓存计算机最近更新数据，同时在初始状态下，所述固态硬盘的容量大小对系统的正确性没有影响。 

上述存储系统，其特征也在于：在所述计算机的系统在运行过程中，可以不定期动态增加固态硬盘的数目，提高系统的性能；但已有的所述固态硬盘不可被动态移除。 

此外，本发明还公开了一种用于对上述存储系统进行管理调度的方法，所述方法包括： 

所有的固态硬盘被格式化为分页结构，每个页面的长度与所述计算机系统内外存交换页面相同，全部的所述固态硬盘上的页面被当作一个整体的队列进行顺序循环使用，当有脏页面从内存中排出时，首先将它写回所述队列的最后一个页面，而不是直接写回所述固态磁盘； 

在内存中维护一个固态硬盘的地址映射表，当页面写回所述固态硬盘后，其页面号、固态硬盘偏移被作为一个二元组索引项，并维持在所述地址映射表中，而若一个页面被写回多次，则只有最后一次的索引项有效； 

当需要访问外存数据时，首先在所述地址映射表中查看包含该页面号的索引项是否存在，如果存在，则访问相应索引项中的固态硬盘的偏移，如果不存在，则访问磁盘的地址。 

上述管理调度方法还包括步骤：由于设备对计算机系统可见，因此所述调度方法可以按实际系统需求，在操作系统、文件系统、数据库以及具体应用程序等不同层次实现。 

上述管理调度方法还包括：当所述整个计算机系统发生崩溃并重启时，需要首先扫描所述固态硬盘，并根据其中所有缓存的所述页面重建地址映射表，再进行系统的正常运行。 

本发明解决了如何充分利用容量较小但性能较快的固态硬盘来优化计算机存储系统响应能力的问题，具有的有益效果是： 

1)消除了原来的计算机系统中对磁盘的随机写操作，有效地降低了磁盘的寻道压力，将随机写转换为顺序写，提高了系统性能。 

2)对最近更新的数据利用固态硬盘进行缓存，充分发挥了固态硬盘的高速随机读能力，减少了原来的计算机系统中对磁盘的随机读操作，进一步提高了系统性能。 

3)对固态硬盘的操作只有顺序读写以及随机读，避开了固态硬盘随机写较较弱所带来的性能瓶颈。 

4)本发明中的系统和方法的基础假设是标准的基于内外存的计算机结构以及固态硬盘的基础特征，不依赖于任何具体的固态硬盘型号、计算机指令体系、操作系统等，也可以在操作系统、文件系统、数据库以及具体应用程序等各个层次灵活实现，具有充分的可移植性。 

附图说明

图1是系统整体框架图。 

图2是地址映射表结构示意图。