[发明专利]一种置换和回写自适应的缓冲区管理方法

说明书

本发明提供一种置换和回写自适应的缓冲区管理方法，将缓冲区划分为缓存块记录表、写缓冲区和读缓冲区；其中，缓存块记录表用于记录同属一个逻辑数据块的数据页在缓冲区的位置信息，写缓冲区用于缓存响应写请求而被修改过的数据页，读缓冲区用于缓存仅响应读请求而未被修改的数据页。本发明在加载和剔除数据页时采用页级的管理方式，通过周期自适应调整读缓冲区阈值，能够感知负载读写特的变化，使得该管理方法在多种负载条件下都能得到较高的缓存命中率。同时，采用脏页自适应聚簇回写，能够感知FTL层垃圾回收的压力，自适应地调整回写策略，能够有效地减少因为FTL垃圾回收引发的额外块擦除次数，提升了固态硬盘的总体性能和使用寿命。

技术领域

本发明属于基于闪存固态盘的固件优化方法设计技术领域，公开了一种置换和回写自适应的缓冲区管理方法。

背景技术

东芝公司在1989年提出了一种新型的非易失性存储介质——NAND闪存(flashmemory)，该存储介质因为其高性能，低功耗，抗震性好的优点被广泛应用于嵌入式设备，便携式电脑和企业级存储系统。本文提到的闪存即为NAND闪存。

缓冲区是存储系统组成中不可或缺的一部分，通过将频繁访问的数据保存在小容量的高速缓存中，可以有效改善存储系统的I/O性能。几十年来，研究人员针对以机械硬盘为主存储介质的存储系统提出了很多经典有效的缓冲区方法，例如FIFO(先进先出方法)，LRU(最久未使用方法)，LFU(最少使用置换方法)，和LRFU(最近及最不频繁使用置换方法)等等。但是，固态硬盘的底层存储介质为闪存，闪存具有明显与传统磁介质不一样的特点，因而传统面向机械硬盘的缓存区管理算法在固态盘缓存区设计中难以适用。

固态硬盘底层的NAND闪存有如下局限：1)闪存只提供读、写和擦除3种操作，且这三种操作性能不对称，读最快，写次之，擦除最慢；2)闪存是按页(page)、块(block)、平面(plane)的结构进行组织；页是读/写的最小单位，一般为2/4/8KB；块是擦除的最小单位，一个块一般包含64/128个页；3)闪存擦除后只能写一次，即所谓的erase-before-write，这造成闪存不支持原地更新；4)闪存每个存储单元的编程/擦除(P/E)次数有限，超过该P/E次数后，闪存存储数据不再可靠。

针对闪存的读写不对称性，研究人员提出了一系列面向闪存的缓冲区方法，根据操作粒度可以区分为页级缓冲区方法和块级缓冲区方法。

页级缓冲区方法：大部分的改进方法都以LRU为基础，其中经典有效的方法有CFLRU(干净页优先最近最少置换)方法，CCF-LRU(冷干净页优先最近最少置换)方法，AD-LRU(自适应双队列最小冷区置换)方法。但这些方法都只考虑了缓冲区中置换页的状态，而忽视了当前访问负载的特性，导致各类方法只适用于特定的负载才能获得较优的性能。相对于页级缓冲区方法以单一页进行回写操作，块级缓冲区方法在回写操作时，以块为组织单位进行回写，能够有效重构访问模式，将随机的写请求转变为连续的写请求，从而能够有效地减少底层FTL的垃圾回收开销。

块级缓冲区方法：以BPLRU(块填充最近最少置换)方法和FAB(最大块优先置换)方法为基础，衍生了PUD-LRU(Predicted average Update Distance aware LRU)方法，CLC(Cold and Largest Cluster)方法。但这些块级缓冲区方法，都只缓存写请求，在以读请求为主的负载环境下，其性能表现不佳。此外，这些块级缓存区方法在脏页回写时，对同一回写块中数据页的冷热不加以区分，导致部分热数据页过早被回写，同时回写时无法感知底层闪存转化层(Flash Translation Layer，FTL)垃圾回收的压力，采用单一的回写策略，导致FTL层额外的垃圾回收开销。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明公布一种置换和回写自适应的缓冲区管理方法，不仅能根据负载读写特性动态调整置换策略提高缓冲区读写命中率，而且能够在聚簇回写时保留热数据页和根据闪存转换层(FTL)垃圾回收压力调整回写策略减少底层闪存块的擦除次数。