[发明专利]一种固态硬盘智能垃圾回收与调度方法

说明书

本发明提供一种固态硬盘智能垃圾回收与调度方法。本发明方法通过两级阈值来确定产生GC的类型。将可中断垃圾回收的读写擦除操作与各个通道的读写IO合并管理，充分利用各个通道的空闲时间主动回收可用空间。设置可中断垃圾回收IO队列，利用GC缓冲区来暂存回收受害块的有效页，延迟可中断垃圾回收的有效页写入操作，降低GC对主机IO的影响。对于不可中断GC，受害块的选取采用贪婪策略，选取无效页最多的块，最大化GC效率。对于可中断GC，受害块的选取综合考虑回收效率，数据更新频率和擦除次数，兼顾垃圾回收效率与磨损均衡。本方法能够保证GC的效率的同时，降低GC对主机IO的影响。

技术领域

本发明属于固态硬盘(SSD)固件算法设计领域，具体涉及了一种固态硬盘智能垃圾回收(GC)与调度方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，在计算机系统中，存储子系统已经成为制约计算机系统发展的瓶颈。基于NAND闪存的SSD由于其高速读写性能，成为目前主流的存储设备之一。

SSD的存储介质NAND闪存具有如下物理特性：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、块、平面的结构进行组织；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。

由于NAND闪存的上述物理特性，造成SSD只能采用异地更新策略：将以前写入的数据无效化，然后将数据写入到新的位置。随着数据的不断写入或更新，SSD的空闲空间逐渐减少；当空闲空间低于一定阈值后，SSD必须进行垃圾回收操作，即回收以前无效化的空间。由于NAND闪存是按块进行擦除，因而垃圾回收时也是先选定垃圾回收目标块或受害块(VictimBlock，VB)，然后将VB中的有效数据迁移至其它块中，最后将VB进行擦除，以备后续写入数据使用。

具体实现过程中，垃圾回收有两种实现方式：不可中断和可中断方式。不可中断方式在执行垃圾回收时停止响应主机输入输出(IO)请求，直到垃圾回收完成后才继续响应主机IO。可中断方式提出在SSD空闲时进行垃圾回收，同时垃圾回收过程可以被主机IO响应打断。不可中断垃圾回收的优势在于将垃圾回收延迟到最后时刻，通常能减少垃圾回收的次数和减轻SSD的写放大问题，从而延长SSD的寿命。可中断垃圾回收的优势在于可以减少对主机端IO响应的影响，从而提高SSD的读写性能。由此可见，垃圾回收方式对SSD的性能和寿命影响较大，是SSD固件设计领域的一个关键问题。

发明内容

针对现有固态硬盘的垃圾回收技术的不足之处，本发明公布一种固态硬盘智能垃圾回收与调度方法，其核心包括：1)根据底层SSD的空余空间量智能产生可中断垃圾回收和不可中断垃圾回收操作；2)设置一个可中断垃圾回收队列，将可中断的垃圾回收造成的IO与主机端各个通道IO一起进行调度，充分利用各个通道的空闲时间；3)利用SSD控制器内部的缓存来暂存各个通道可中断垃圾回收VB块的有效数据，然后利用通道空闲时间读出或写入有效页。

为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下：

一种固态硬盘智能垃圾回收与调度方法，包括各个通道主机IO队列CH_IO，可中断垃圾回收IO队列GC_IO，GC缓冲区Buf_GC，IO调度模块和GC决策模块。

CH_IO保存主机接口发送至各个通道的用户IO请求，即主机端的读写请求。GC_IO保存可中断垃圾回收的VB块的有效页读/写请求和VB块的擦除请求。Buf_GC暂存VB块的有效页。IO调度模块负责调度各CH_IO队列和GC_IO队列中的请求。GC决策模块负责决定垃圾回收操作方式，此外，也负责不可中断的垃圾回收。

对于每个通道，当有新的写请求到达，其GC决策模块的工作过程如下：