CN114153379A - 一种高性能的混合ftl方法及固态存储设备 - Google Patents

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Abstract

一种高性能的混合FTL方法及固态存储设备，其特征在于：FTL设定固定的Mapping size作为每个LPN的大小，用于切分用户数据块；FTL采用多级架构管理；多级架构管理的架构为2级FTL架构或3级FTL架构。采用FTL多级架构管理；在提供基于mapping size切分数据块的FTL下级表的原小颗粒映射能力的基础上，通过在其FTL上级表中增加大颗粒的映射能力，实现多阶混合映射能力，优化并减少FTL的表项存储资源占用和处理开销。本发明所述的高性能混合FTL方法的固态存储设备，同时兼顾小颗粒和大颗粒读写处理优化，从而确保主机的小颗粒随机读写数据访问和大颗粒顺序读写数据访问均能获得极大的存储性能提升。

Description

一种高性能的混合FTL方法及固态存储设备
技术领域
本发明属于存储技术领域，尤其涉及一种高性能的混合FTL方法及固态存储设备。
背景技术
以NAND为主的非易失性存储介质的存储设备，必须解决主机与存储介质存储单元大小不一致带来的挑战。其中主机以Sector为最小读写单元；而NAND通常以4KB、8KB、16KB等大小的page为读写单元，并以一组多个page的block为擦除单元。这导致非易失性存储介质无法直接承接主机的读写操作，从而需要借助FTL (Flash Translation Layer)实现数据读写的映射和管理。
传统的FTL通常以4KB为user size切分数据块，通过该数据块与NAND实际存储位置建立映射表，以实现管理。Host的写操作需要基于数据实际的存放在非易失性存储的位置更新该映射表，而读操作则需要通过查询该映射表获取其存放位置后才能读取到正确的数据。基于该架构，FTL的大小通常为SSD盘片用户容量的1/1024。该映射表的大小将会达到几百MB甚至几十GB。其通常需要采取两级甚至三级管理，每次IO的操作都会涉及到多级表查询或者表更新，导致FTL的访问和修改均会有较大的开销，从而影响SSD的整盘性能。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种可减少FTL的表项存储资源占用和处理开销的高性能的混合FTL方法及固态存储设备，从而使固态存储设备实现更高的存储性能。
本发明所述高性能的混合FTL方法，FTL设定固定的Mapping size作为每个LPN的大小，用于切分用户数据块；
所述FTL采用多级架构管理；
所述多级架构管理的架构为2级FTL架构或3级FTL架构；
所述2级FTL架构包括FTL上级表、FTL下级表；
所述3级FTL架构包括FTL索引表、FTL上级表和FTL下级表；
所述FTL下级表的每个L2P记录每个LPN实际存储的DATA PBA信息，实现单个L2P的小颗粒映射；
所述FTL上级表以每k个L2P为块大小作为一个PMT，记录这些L2P信息在非易失性存储器中存储的TABLE PBA信息；所述k为2的幂次方，通常为29或者212。
进一步，本发明所述高性能的混合FTL方法，所述PMT支持3种方式的TABLE PBA信息，分别为Invalid_PMT、Valid_PMT和Block_PMT；
所述Invalid_PMT的PMT对应的k个L2P均处于无效状态；PMT的TABLE PBA仅存储“无效标识符”，无对应的FTL下级表，直接实现对应k个L2P的大颗粒的无效映射；
所述Valid_PMT的PMT对应的k个L2P中至少有一个有效；PMT的TABLE PBA存储对应k个L2P在非易失性存储器中存储的PBA数据；而DATA PBA则存储在FTL下级表的对应L2P中；
所述Block_PMT的PMT对应的k个L2P全部有效，并且其DATA PBA连续；PMT的TABLEPBA存储对应k个L2P中第一个L2P的DATA PBA，且无对应的FTL下级表，直接实现对应k个L2P的大颗粒映射。
更进一步，本发明所述高性能的混合FTL方法中的Mapping size为固定值，其可选的配置值包括4K或8K或16K或32K或64K或128K或256K Bytes。
本发明所述高性能的固态存储设备，包括控制器和非易失性存储器；所述控制器为带有嵌入式CPU的控制器，运行FTL；所述非易失性存储器包括NOR或NAND或MRAM或PCM；所述FTL采用前述高性能的混合FTL方法保存主机读写的用户数据以及其在非易失性存储器中的实际存储位置的映射关系。
进一步，本发明所述高性能的固态存储设备，所述FTL上级表和FTL下级表均在非易失性存储器中存储。
进一步，本发明所述高性能的固态存储设备，所述FTL上级表为Invalid_PMT或者Block_PMT时，该固态存储设备不再存储该PMT对应的FTL下级表全部L2P，对应映射信息将由FTL上级表的PMT提供和存储；
所述FTL上级表为Valid_PMT时，该固态存储设备需要同时存储该PMT和该PMT对应的FTL下级表的全部L2P。
更进一步，本发明所述高性能的固态存储设备，在执行主机读操作时根据FTL上级表检索的结果，确定是否跳过FTL下级表检索，并执行非易失性存储器读操作；具体操作为：
Invalid_PMT：直接填充读buf，读操作完成；
Block_PMT：基于PMT的信息直接生成DATA PBA，执行非易失性存储器读操作；
Valid_PMT：继续执行FTL下级表检索，读取对应L2P的DATA PBA，执行非易失性存储器读操作。
更进一步，本发明所述高性能的固态存储设备，在执行主机写操作时在完成非易失性存储器写操作的同时，根据PMT内存储的L2P是否连续，标识不同的FTL上级表信息，并确定是否回收对应FTL下级表的资源；具体操作为：
连续：标识Block_PMT，仅更新并保存FTL上级表记录信息，取消并回收对应FTL下级表的资源；
不连续：标识Valid_PMT，采用逐个对应L2P更新DATA PBA的方式处理。
更进一步，本发明所述高性能的固态存储设备，在执行GC（garbage collection垃圾回收）操作时，可以采取策略性连续存储，优化固态存储设备的数据和FTL的存储结构。
更进一步，本发明所述高性能的固态存储设备，在执行主机Trim（SATA协议）或Dataset Management command（NVMe协议）操作时根据PMT内L2P是否连续，标识不同的FTL上级表信息，并确定是否回收对应FTL下级表的资源；具体操作为：
连续：标识Invalid_PMT，仅更新并保存FTL上级表记录信息，取消并回收对应FTL下级表的资源；
不连续：标识Valid_PMT，采用逐个对应L2P更新为“无效”的方式处理。
更进一步，本发明所述高性能的固态存储设备， 所述固态存储设备上电时，FTL上级表会被优先读取；所述FTL下级表则根据主机读写和算法设计需要，在使用前被加载。
本发明所述高性能的混合FTL方法及固态存储设备，采用了FTL多级架构管理；在提供了基于mapping size切分数据块的FTL下级表的原小颗粒映射能力的基础上，通过在其FTL上级表中增加大颗粒的映射能力，实现多阶混合映射能力，优化并减少FTL的表项存储资源占用和处理开销。本发明所述的高性能混合FTL方法的固态存储设备，同时兼顾小颗粒和大颗粒读写处理优化，从而确保主机的小颗粒随机读写数据访问和大颗粒顺序读写数据访问均能获得极大的存储性能提升。
附图说明
图1为本发明所述FTL下级表示意图；
图2为本发明所述FTL上级表示意图；
图3为本发明实施例所述FTL上级表示意图；
图4为本发明实施例所述固态存储设备读操作处理流程示意图；
图5为本发明实施例所述固态存储设备写操作处理流程示意图；
图6为本发明实施例所述固态存储设备Trim或Dataset Management command操作处理流程示意图。
具体实施方式
下面通过附图及实施例对本发明所述高性能的混合FTL方法及固态存储设备进行详细说明。
实施例一
本公开实施例公开一种高性能的混合FTL方法，FTL设定固定的Mapping size作为每个LPN的大小，用于切分用户数据块；所述Mapping size包括4K或8K或16K或32K或64K或128K或256K Bytes，在具体应用中可根据需求进行选择。
所述FTL采用多级架构管理；所述多级架构管理的架构为2级FTL架构或3级FTL架构；所述2级FTL架构包括FTL上级表、FTL下级表；所述3级FTL架构包括FTL索引表、FTL上级表和FTL下级表；所述FTL下级表的每个L2P记录每个LPN实际存储的DATA PBA信息，实现单个L2P的小颗粒映射，如图1所示；所述FTL上级表以每k个L2P为块大小作为一个PMT，记录这些L2P信息在非易失性存储器中存储的TABLE PBA信息；所述k为2的幂次方，通常为29或者212，如图2所示；图中PMT的个数t=（n+（k-1））/k，其最后一个PMT包括的有效L2P个数可能少于k个。
在本公开实施例中，所述PMT支持3种方式的TABLE PBA信息，分别为Invalid_PMT、Valid_PMT和Block_PMT，如图3所示；所述Invalid_PMT的PMT对应的k个L2P均处于无效状态；PMT的TABLE PBA仅存储“无效标识符”，无对应的FTL下级表，直接实现对应k个L2P的大颗粒无效映射；所述Valid_PMT的PMT对应的k个L2P中至少有一个有效；PMT的TABLE PBA存储对应k个L2P在非易失性存储器中存储的PBA数据；而DATA PBA则存储在FTL下级表的对应L2P中；所述Block_PMT的PMT对应的k个L2P全部有效，并且其DATA PBA连续；PMT的TABLEPBA存储对应k个L2P中第一个L2P的DATA PBA，且无对应的FTL下级表，直接实现对应k个L2P的大颗粒映射。
实施例二
在实施例一的基础上，本公开实施例公开一种高性能的固态存储设备，所述固态存储设备为SSD，其包括控制器、NAND，以及可选的DRAM。
在本公开实施例中，所述固态存储设备的控制器为带有嵌入式CPU，运行FTL；所述的FTL采用实施例一所述的高性能的混合FTL方法。所述固态存储设备采用2级的FTL(Flash Translation Layer)实现主机读写的用户数据至NAND中实际存储位置的映射关系。
本公开实施例中所述固态存储设备的FTL使用固定的Mapping size作为每个LPN的大小，其Mapping size实际为4K Bytes。
本公开实施例中所述固态存储设备的FTL下级表管理和存储每4K Bytes用户数据在NAND中存储位置的L2P信息。所述L2P实际存储的数据为DATA PBA数据。
本公开实施例中所述固态存储设备的FTL上级表管理和存储每512Bytes的多个L2P信息在NAND中存储位置的PMT信息。所述PMT实际存储的数据为TABLE PBA数据。
本公开实施例中所述固态存储设备的FTL上级表中的PMT支持3种方式的TABLEPBA信息，具体包括：Invalid_PMT：该PMT对应的全部L2P均处于无效状态。PMT仅存储“无效标识符”，无对应的FTL下级表。Valid_PMT：该PMT对应的k个L2P中至少有一个有效；k的值在本实施例中为128。 PMT存储对应k个L2P在非易失性存储器中存储的PBA数据。而DATA PBA则存储在FTL下级表的对应L2P中。Block_PMT：该PMT对应的k个L2P全部有效，并且其DATAPBA连续。 PMT存储对应k个L2P中第一个L2P的DATA PBA，且无对应的FTL下级表。
需要说明的是，本公开实施例中所述固态存储设备的FTL上级表为Invalid_PMT或者Block_PMT，该固态存储设备不再存储该PMT对应的FTL下级表全部L2P，并可释放其在NAND中的存储资源。其对应的映射信息将会直接通过FTL上级表的PMT存储和提供。
在本公开实施例中，所述固态存储设备的FTL上级表和FTL下级表均会在非易失性存储器中保存。
本公开实施例中所述固态存储设备的FTL上级表为Invalid_PMT或者Block_PMT，该固态存储设备不再存储该PMT对应的FTL下级表全部L2P，并可释放其在NAND中的存储资源。其对应的映射信息将会直接通过FTL上级表的PMT提供和存储。
需要说明的是，本公开实施例中所述固态存储设备的FTL上级表为Valid_PMT时，该固态存储设备需要同时存储该PMT和该PMT对应的FTL下级表的全部L2P。
本公开实施例中所述固态存储设备在上电时，FTL上级表会被优先读取，并常驻DRAM、SRAM或NAND pSLC cache blk。FTL下级表则根据主机读写的需要，按需在使用前被加载至DRAM或SRAM中。
如图4所示，本公开实施例中所述固态存储设备在执行主机读操作会根据FTL上级表检索的结果，确定是否跳过FTL下级表检索，并执行非易失性存储器读操作；其具体操作为：
Invalid_PMT：直接填充读buf，读操作完成。
Block_PMT：基于PMT的信息直接生成DATA PBA，执行非易失性存储器读操作。
Valid_PMT：继续执行FTL下级表检索，读取对应L2P的DATA PBA，执行非易失性存储器读操作。
如图5所示，本公开实施例中所述固态存储设备在执行主机写操作时会在完成非易失性存储器写操作的同时，根据PMT内存储的L2P是否连续，标识不同的FTL上级表信息，并确定是否回收对应FTL下级表的资源；其具体操作为：
连续：标识Block_PMT，仅更新并保存FTL上级表记录信息，取消并回收对应FTL下级表的资源。
不连续：标识Valid_PMT，采用逐个对应L2P更新DATA PBA的方式处理。FTL上级表和下级表均需要在非易失性存储器存储。
本公开实施例中所述固态存储设备在执行GC（garbage collection 垃圾回收）操作时会采取策略性连续存储，优化固态存储设备的数据和FTL的存储结构。
如图6所示，本公开实施例中所述固态存储设备在执行主机Trim（SATA协议）或Dataset Management command（NVMe协议）操作时会根据PMT内L2P是否连续，标识不同的FTL上级表信息，并确定是否回收对应FTL下级表的资源；其具体操作为：
连续：标识Invalid_PMT，仅更新并保存FTL上级表记录信息，取消并回收对应FTL下级表的资源。
不连续：标识Valid_PMT，采用逐个对应L2P更新为“无效”的方式处理。FTL上级表和下级表均需要在非易失性存储器存储。

Claims (10)

1. 一种高性能的混合FTL方法，其特征在于：FTL设定固定的Mapping size作为每个LPN的大小，用于切分用户数据块；
所述FTL采用多级架构管理；
所述多级架构管理的架构为2级FTL架构或3级FTL架构；
所述2级FTL架构包括FTL上级表、FTL下级表；
所述3级FTL架构包括FTL索引表、FTL上级表和FTL下级表；
所述FTL下级表的每个L2P记录每个LPN实际存储的DATA PBA信息，实现单个L2P的小颗粒映射；
所述FTL上级表以每k个L2P为块大小作为一个PMT，记录这些L2P信息在非易失性存储器中存储的TABLE PBA信息；所述k为2的幂次方。
2. 根据权利要求1所述高性能的混合FTL方法，其特征在于：所述PMT支持3种方式的TABLE PBA信息，分别为Invalid_PMT、Valid_PMT和Block_PMT；
所述Invalid_PMT的PMT对应的k个L2P均处于无效状态；PMT的TABLE PBA仅存储无效标识符，无对应的FTL下级表，直接实现对应k个L2P的大颗粒映射；
所述Valid_PMT的PMT对应的k个L2P中至少有一个有效；PMT的TABLE PBA存储对应k个L2P在非易失性存储器中存储的PBA数据；而DATA PBA则存储在FTL下级表的对应L2P中；
所述Block_PMT的PMT对应的k个L2P全部有效，并且其DATA PBA连续；PMT的TABLE PBA存储对应k个L2P中第一个L2P的DATA PBA，且无对应的FTL下级表，直接实现对应k个L2P的大颗粒映射。
3. 根据权利要求2所述高性能的混合FTL方法，其特征在于：所述Mapping size为固定值，其可选的配置值包括4K或8K或16K或32K或64K或128K或256K Bytes。
4.一种高性能的固态存储设备，包括控制器和非易失性存储器；所述控制器为带有嵌入式CPU的控制器，运行FTL；所述非易失性存储器包括NOR或NAND或MRAM或PCM；其特征在于：所述FTL采用权利要求2所述高性能的混合FTL方法保存主机读写的用户数据以及其在非易失性存储器中的实际存储位置的映射关系。
5.根据权利要求4所述高性能的固态存储设备，其特征在于：所述FTL上级表和FTL下级表均在非易失性存储器中存储。
6.根据权利要求5所述高性能的固态存储设备，其特征在于：所述FTL上级表为Invalid_PMT或者Block_PMT时，该固态存储设备不再存储该PMT对应的FTL下级表全部L2P，对应映射信息将由FTL上级表的PMT提供和存储；
所述FTL上级表为Valid_PMT时，该固态存储设备需要同时存储该PMT和该PMT对应的FTL下级表的全部L2P。
7.根据权利要求6所述高性能的固态存储设备，其特征在于：在执行主机读操作时根据FTL上级表检索的结果，确定是否跳过FTL下级表检索，并执行非易失性存储器读操作；具体操作为：
Invalid_PMT：直接填充读buf，读操作完成；
Block_PMT：基于PMT的信息直接生成DATA PBA，执行非易失性存储器读操作；
Valid_PMT：继续执行FTL下级表检索，读取对应L2P的DATA PBA，执行非易失性存储器读操作。
8.根据权利要求7所述高性能的固态存储设备，其特征在于：在执行主机写操作时在完成非易失性存储器写操作的同时，根据PMT内存储的L2P是否连续，标识不同的FTL上级表信息，并确定是否回收对应FTL下级表的资源；具体操作为：
连续：标识Block_PMT，仅更新并保存FTL上级表记录信息，取消并回收对应FTL下级表的资源；
不连续：标识Valid_PMT，采用逐个对应L2P更新DATA PBA的方式处理。
9.根据权利要求8所述高性能的固态存储设备，其特征在于：在执行GC操作时，可以采取策略性连续存储，优化固态存储设备的数据和FTL的存储结构。
10. 根据权利要求9所述高性能的固态存储设备，其特征在于：在执行主机Trim或Dataset Management command操作时根据PMT内L2P是否连续，标识不同的FTL上级表信息，并确定是否回收对应FTL下级表的资源；具体操作为：
连续：标识Invalid_PMT，仅更新并保存FTL上级表记录信息，取消并回收对应FTL下级表的资源；
不连续：标识Valid_PMT，采用逐个对应L2P更新为无效的方式处理。
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