[发明专利]随机写的方法和转换器

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域中数据存储技术，具体地，涉及固态硬盘随机写的方法及转换器。

背景技术

作为一种新型的纯电子数据存储设备，固态硬盘近年来被广泛的应用在笔记本电脑、台式电脑和服务器中。固态硬盘最大的优势在于其高速的读性能，特别是其随机读的性能。众所周知，固态硬盘不像磁盘，其内部不存在磁头那样的机械部件。因此，固态硬盘在随机读数据时，不存在机械移动。这一特性从根本上解决了磁盘存在的随机读性能低下的问题，所以固态硬盘具有高速的读性能，基本上可以认为固态硬盘随机读具有和连续读同样的速度性能。

闪存(Flash Memory)是固态硬盘内部的实际数据存储设备，闪存除能够进行磁盘所有的读写操作之外，还能够进行擦除这一闪存特有的操作。总之，擦除操作有两个主要特性：重写之前需先擦除、擦除需付出高代价。与磁盘由磁碟所组成相比，闪存是由数据块组成，数据块是擦除的基本单元。数据块是由页组成，一般包含32页或64页，页是读写的基本单位。对闪存来说，擦除操作是将该数据块中所有数据都设置为1，而写操作是将一个页的数据都变为0。一个位一旦被写置为0，只有通过擦除操作才能将该数据位重新变成1。

另外一方面，擦除的高代价不仅来源于擦除操作本身，还来源于擦除过程中的copy-back写操作。根据Micron(美国镁光公司生产的闪存芯片，美国镁光是著名半导体存储器方案供应商)数据手册，Mtron(一种固态硬盘)中使用的Micron闪存芯片的擦除代价为1.5毫秒，而写的代价为0.22毫秒。在擦除一个数据块之前，需要将该数据块中的有用数据都复制到其它的干净数据块中，该拷贝的过程就被称之为copy-back写。对擦除来说，其代价不仅来源于擦除本身，同时copy-back写也需要花费大量的时间。所以擦除对闪存来说，是一个代价高昂的操作。

固态硬盘的随机写之所以性能差，一方面在于随机写很容易导致擦除操作，另一方面在于flash芯片的连续写特性。连续写特性是指在一个数据块内写入数据时只能按照地址的大小顺序从小到大进行数据写入操作。假设芯片的写入地址分别为a、b，且b＞a，a和b属于同一个数据块，那么一旦地址b被写入数据之后，地址a将不能再写入数据。为了在地址a中写入数据，需要将整块数据擦除，然后将地址a写入，最后再写入数据b。举例来说，假设一个闪存的数据块包含了64页，a为第2页，b为第10页。那么将第b页写入数据后，再写第a页的数据，需要先将第b页上的数据读入内存，然后将该数据块擦除，再将数据写入到第a页，最后将读入内存的第b页的数据写回到第b页上。上述随机写的过程需要一次擦除和多次写操作，开销很大。如果频繁的进行对上例中地址a的随机写操作，将大大降低数据操作速度，影响固态硬盘的性能。

现有技术的随机写操作，对随机写队列不做任何改变，例如对写入地址a、b、c的写入队列，直接将该写入队列写入到固态硬盘中。

固态硬盘现有的随机写性能非常差，表1列举了Mtron固态硬盘的IOPS(Input/Output Operations Per Second，每秒处理I/O读写操作的次数)值，此处的IOPS值是通过IOMeter测试得到的，IOPS值衡量一个存储系统性能的主要指标。测试过程采用的访问粒度为512字节，根据表1所示，Mtron固态硬盘的连续读、随机读和连续写的IOPS值都超过10000，而其随机写的IOPS值却只有120，比其它几种访问方式慢两个数量级。由此可见，与其它几种访问方式相比，随机写的访问速度较慢，成为固态硬盘性能提升的瓶颈。

表1  Mtron固态硬盘IO性能对比