CN114153381A - 一种降低固态硬盘写入性能波动的方法 - Google Patents

Abstract

一种降低固态硬盘写入性能波动的方法，属于固体硬盘存储领域，其特征在于：将固态硬盘缓存拆分为若干缓存资源片段作为最小管理单元；固态硬盘执行写入任务，根据写入速度及当前时间段内固态硬盘的运行状态计算下一个时间段内的写入速度，然后确定释放固态硬盘内部缓存资源片段的个数，最后根据已经释放的缓存资源片段的个数接收并处理主机下发的写入命令，充分考虑了在写入过程中包括NAND Flash资源空闲情况、垃圾回收操作占用情况以及映射表更新等内部操作对写入性能的影响，可以确保固态硬盘在不同内部工作模式中写入性能的稳定性以及确保在不同外部应用场景中写入性能的稳定性，充分考虑了固态硬盘运行过程中的各种情况，适用于各种应用场景。

Description

一种降低固态硬盘写入性能波动的方法

技术领域

本发明属于固体硬盘存储领域，尤其涉及一种降低固态硬盘写入性能波动的方法。

背景技术

固态硬盘(Solid State Disk，简称SSD)主要由控制器和NAND Flash组成，相比与传统的机械硬盘，固态硬盘具有性能好、功耗低、可靠性高等特点，在各个领域均得到广泛的应用。目前固态硬盘在实际使用过程中存在写入流程如图1所示，现有技术的写入性能波动严重的问题，尤其是当固态硬盘进入“垃圾回收”状态后，其内部既要处理主机写入的数据又要处理垃圾回收的任务，再加上处理各种映射表更新的任务，往往会出现固态硬盘无法及时处理主机写入的数据以及在处理主机写入数据时阻塞在等待NAND Flash IO资源空闲的情况，进而造成主机写入性能波动严重。写入性能波动一方面反映写入速度连续性不好，波动严重，另一方面表现在某些命令的响应时间过长。而写入性能波动对诸如雷达数据记录、视频数据记录、车载数据记录等需要持续数据记录的相关应用场景有很大的影响，通常会导致丢失某个时刻的关键数据或者严重拖慢整个的性能和相应时间。

发明内容

本发明针对固态硬盘在实际使用过程中性能波动严重的问题，提供一种降低固态硬盘写入性能波动的方法，使得固态硬盘在不同数据负载和不同的应用场景中都具有平稳的性能。

本发明所述降低固态硬盘写入性能波动的方法，将固态硬盘缓存拆分为若干缓存资源片段WriteUnit作为最小管理单元，缓存资源申请和释放的单位均为WriteUnit；固态硬盘执行写入任务，首先启用定时器，执行写入任务的每一个时间间隔为Δt；统计执行写入任务的当前时间段内的写入速度V_Current，其次根据写入速度V_Current及当前时间段内固态硬盘的运行状态计算下一个时间段内的写入速度V_Target，然后根据V_Target的值确定释放固态硬盘内部缓存资源片段WriteUnit的个数，最后根据已经释放的缓存资源片段WriteUnit的个数接收并处理主机下发的写入命令。

进一步，本发明所述降低固态硬盘写入性能波动的方法，所述下一个时间段内的写入速度V_Target计算过程包括：

1)计算速度变化的第一参考值V_REF01；

a)统计当前时间段内的Block变化情况，记为ΔBlock，

ΔBlock＝Block_Used-Block_Added

其中Block_Used表示当前时间段内因执行写入命令消耗的NAND Flash的Block个数；Block_Added表示当前时间段内因执行垃圾回收操作释放的NAND Flash的Block个数；

b)统计当前时间段内的精确时间ΔT，由于在执行后台任务时存在阻塞在等待NAND Flash资源空闲(包括NAND Flash阵列和IO)情况存在，上述每一个时间间隔Δt是存在一定误差，这里通过统计当前时间段内的精确时间ΔT来修正这一误差；

其中ΔTick表示当前时间间隔内CPU经历的tick个数，CLK_CPU表示CPU的频率；

c)计算速度变化的第一参考值V_REF01：

其中WriteUnitPerBlock表示每个Block的size对应WriteUnit的个数；V_REF01可以体现速度的变化趋势，当V_REF01>0,表示消耗的数据块大于增加的数据块，也就意味着上一个时间间隔速度是有增长的趋势的，当前速度也应该保持这个趋势；反之，当V_REF01<0，表示上一个时间间隔速度有减缓的趋势，当前速度也应该保持减缓的趋势。

2)计算速度变化的第二参考值V_REF02；

a)统计当前时间段可用的空闲Block数目，记为Block_Free，

b)计算当前空闲Block和触发垃圾回收条件的空闲Block阈值Block_GC之间的差值，

ΔBlock_Free＝Block_Free-Block_GC

c)计算速度变化的第二参考值V_REF02：

其中N1和N2为预先设定的参数；

V_REF02的意义在于当ΔBlock_Free值大于0，则表明垃圾回收的效率可以满足当前写入的速度要求，速度可以适当增加；如果ΔBlock_Free值小于0，则表明GC的效率已经无法满足写入时速度的要求，需要降低写入的速度。

3)计算下一个时间段内的写入速度V_Target：

V_Target＝V_Current+w1*V_REF01+w2*V_REF02

其中w1和w2为预先设定的参数；

4)计算下一个时间段内的速度最大值V_MaxNext1，避免因垃圾回收不及时导致没有及时释放缓存资源；

5)计算下一个时间段内的速度最大值V_MaxNext2，以确保当前时间段内的数据可及时写入NAND Flash并且对应的地址映射完成更新同步完成；

6)确定下一个时间段的速度值V_Target值的范围不能超过V_MaxNext1和V_MaxNext2的值，即需满足下式：

V_Target≤min{V_MaxNext1,V_MaxNext2}；

7)根据当前时间段的速度值V_Current对步骤3)计算得到的V_Target值做平滑处理；

a)参考当前时间段内的速度值V_Current，下一个时间段内的速度值V_Target为：

V_Target＝μ*V_Current+ν*V_Target

其中μ和v为给定值，且μ+v＝1；

b)将下一个时间段内的速度与上一个时间段内的速度波动控制在限定范围内，确保最终的下一个时间段内的速度值V_Target满足以下条件：

其中σ为给定值；确定的V_Target值需满足条件包括6)和7)限定的条件，如果不满足，需要取边界值；

通过V_Target推算出释放固态硬盘内部缓存资源个数WriteUnit_Free：

WriteUnit_Free＝V_Target*Δt

最后根据缓存资源释放的个数按需释放缓存资源给下一个时间间隔的写入命令使用。通过以上7个步骤计算得到的下一个时间间隔的速度V_Target充分考虑了在写入过程中包括NAND Flash资源空闲情况、垃圾回收操作占用情况以及映射表更新等内部操作对写入性能的影响。

进一步，本发明所述降低固态硬盘写入性能波动的方法，所述速度最大值V_MaxNext1的计算步骤包括：

a)当前空闲Block大于触发垃圾回收空闲Block阈值，即Block_Free>Block_GC时：

V_MaxNext1＝V_MaxWrite

其中V_MaxWrite为设定值，表示固态硬盘允许的最大写入速度；

b)当前空闲Block小于触发垃圾回收空闲Block阈值,但是大于最小空闲Block，记为Block_MinFree,即Block_MinFree<Block_Free<Block_GC,时：

其中V_MaxGC为设定值，表示固态硬盘允许的最大垃圾回收速度；

c)当前空闲Block小于最小空闲Block，即BlockFree<BlockMin时：

进一步，本发明所述降低固态硬盘写入性能波动的方法，所述速度最大值V_MaxNext2的计算步骤包括：

其中T_Flt，表示当前时间段内因写入数据需要更新的映射表的时间。

本发明所述降低固态硬盘写入性能波动的方法，通过本发明所述方法计算得到的下一个时间间隔的速度V_Target充分考虑了在写入过程中包括NAND Flash资源空闲情况、垃圾回收操作占用情况以及映射表更新等内部操作对写入性能的影响，可以确保固态硬盘在不同内部工作模式中写入性能的稳定性以及确保在不同外部应用场景中写入性能的稳定性，充分考虑了固态硬盘运行过程中的各种情况，适用于各种应用场景。

附图说明

图1为本发明所述固态硬盘写入流程示意图；

图2为本发明实施例所述降低固态硬盘写入性能波动方法流程示意图；

图3为本发明实施例所述下一个时间段内的写入速度计算流程示意图；

图4为本发明实施例所述512K顺序写状态示意图；

图5为本发明实施例所述4K随机写状态示意图；

图6为图5所述状态示意图的局部放大示意图。

具体实施方式

下面通过附图及实施例对本发明所述降低固态硬盘写入性能波动的方法进行详细说明。

本公开实施例所述降低固态硬盘写入性能波动的方法，将固态硬盘缓存拆分为若干缓存资源片段WriteUnit作为最小管理单元，缓存资源申请和释放的单位均为WriteUnit；如图2所示，固态硬盘执行写入任务，首先启用定时器，执行写入任务的每一个时间间隔为Δt；统计执行写入任务的当前时间段内的写入速度V_Current，其次根据写入速度V_Current及当前时间段内固态硬盘的运行状态计算下一个时间段内的写入速度V_Target，然后根据V_Target的值确定释放固态硬盘内部缓存资源片段WriteUnit的个数，最后根据已经释放的缓存资源片段WriteUnit的个数接收并处理主机下发的写入命令。

在本公开实施例中，如图3所示，所述下一个时间段内的写入速度V_Target计算过程包括：

1)计算速度变化的第一参考值V_REF01；

a)统计当前时间段内的Block变化情况，记为ΔBlock，

ΔBlock＝Block_Used-Block_Added

其中Block_Used表示当前时间段内因执行写入命令消耗的NAND Flash的Block个数；Block_Added表示当前时间段内因执行垃圾回收操作释放的NAND Flash的Block个数；

b)统计当前时间段内的精确时间ΔT，由于在执行后台任务时存在阻塞在等待NAND Flash资源空闲(包括NAND Flash阵列和IO)情况存在，上述每一个时间间隔Δt是存在一定误差，这里通过统计当前时间段内的精确时间ΔT来修正这一误差；

其中ΔTick表示当前时间间隔内CPU经历的tick个数，CLK_CPU表示CPU的频率；c)计算速度变化的第一参考值V_REF01：

其中WriteUnitPerBlock表示每个Block的size对应WriteUnit的个数；V_REF01可以体现速度的变化趋势，当V_REF01>0,表示消耗的数据块大于增加的数据块，也就意味着上一个时间间隔速度是有增长的趋势的，当前速度也应该保持这个趋势；反之，当V_REF01<0，表示上一个时间间隔速度有减缓的趋势，当前速度也应该保持减缓的趋势。

2)计算速度变化的第二参考值V_REF02；

a)统计当前时间段可用的空闲Block数目，记为Block_Free，

b)计算当前空闲Block和触发垃圾回收条件的空闲Block阈值Block_GC之间的差值，

ΔBlock_Free＝Block_Free-Block_GC

c)计算速度变化的第二参考值V_REF02：

其中N1和N2为预先设定的参数，可根据实际情况调试得出，先赋一个初始值，然后再根据实际速度的波动来调节参数大小，最终让波动趋于平滑；

V_REF02的意义在于当ΔBlock_Free值大于0，则表明垃圾回收的效率可以满足当前写入的速度要求，速度可以适当增加；如果ΔBlock_Free值小于0，则表明GC的效率已经无法满足写入时速度的要求，需要降低写入的速度。

3)计算下一个时间段内的写入速度V_Target：

V_Target＝V_Current+w1*V_REF01+w2*V_REF02

其中w1和w2为预先设定的参数，可根据实际情况调试得出。

4)计算下一个时间段内的速度最大值V_MaxNext1，避免因垃圾回收不及时导致没有及时释放缓存资源。

5)计算下一个时间段内的速度最大值V_MaxNext2，以确保当前时间段内的数据可及时写入NAND Flash并且对应的地址映射完成更新同步完成。

6)确定下一个时间段的速度值V_Target值的范围不能超过V_MaxNext1和V_MaxNext2的值，即需满足下式：

V_Target≤min{V_MaxNext1,V_MaxNext2}。

7)根据当前时间段的速度值V_Current对步骤3)计算得到的V_Target值做平滑处理；

a)参考当前时间段内的速度值V_Current，下一个时间段内的速度值V_Target为：

V_Target＝μ*V_Current+ν*V_Target

其中μ和v为给定值，且μ+v＝1；

b)将下一个时间段内的速度与上一个时间段内的速度波动控制在限定范围内，确保最终的下一个时间段内的速度值V_Target满足以下条件：

其中σ为给定值；确定的V_Target值需满足条件包括6)和7)限定的条件，如果不满足，需要取边界值；

通过V_Target推算出释放固态硬盘内部缓存资源个数WriteUnit_Free：

WriteUnit_Free＝V_Target*Δt

最后根据缓存资源释放的个数按需释放缓存资源给下一个时间间隔的写入命令使用。通过以上7个步骤计算得到的下一个时间间隔的速度V_Target充分考虑了在写入过程中包括NAND Flash资源空闲情况、垃圾回收操作占用情况以及映射表更新等内部操作对写入性能的影响。

在本公开实施例中，所述速度最大值V_MaxNext1的计算步骤包括：

a)当前空闲Block大于触发垃圾回收空闲Block阈值，即Block_Free>Block_GC时：

V_MaxNext1＝V_MaxWrite

其中V_MaxWrite为设定值，表示固态硬盘允许的最大写入速度；

b)当前空闲Block小于触发垃圾回收空闲Block阈值,但是大于最小空闲Block，记为Block_MinFree,即Block_MinFree<Block_Free<Block_GC,时：

其中V_MaxGC为设定值，表示固态硬盘允许的最大垃圾回收速度；

c)当前空闲Block小于最小空闲Block，即BlockFree<BlockMin时：

在本公开实施例中，所述速度最大值V_MaxNext2的计算步骤包括：

其中T_Flt，表示当前时间段内因写入数据需要更新的映射表的时间。

在固态硬盘的运行过程中，其空闲块可能处于不同的范围，本公开实施例针对不同情况逐一列举如下实际运行结果。

当前空闲Block大于触发垃圾回收空闲Block阈值，即Block_Free>Block_GC时，固态硬盘写入速度一直能维持到最大速度，以512K顺序写这个测试用例为例，当使用512K顺序写本测试用例对固态硬盘进行测试时，其内部空闲块会始终维持在这个状态，其写入速度如图4所示，在整个测试过程中，硬盘写入速度一直维持在最大速度也就是V_MaxWrite。

当前空闲Block小于触发垃圾回收空闲Block阈值，但是大于最小空闲Block时，当固态硬盘处于这样是状态时，其速度值会逐渐降低，并且最终维持在一个稳定的水平；先对固态硬盘进行512K顺序写入，写入数据大于其容量，再对固态硬盘进行4k随机写入，如图5、图6所示，固态硬盘的性能会逐渐降低，并且最终维持在一个稳定的水平。

固态硬盘固件采取本公开实施例降低写入性能波动的方法，可以有效的降低写入性能的波动，并且可以有效的均衡主机写入和垃圾回收操作，实际使用过程中不会出现当前空闲Block小于最小空闲Block的情况。

采用本实施例所述降低固态硬盘写入性能波动的方法，可以确保固态硬盘在不同内部工作模式中写入性能的稳定性以及确保在不同外部应用场景中写入性能的稳定性，充分考虑了固态硬盘运行过程中的各种情况，适用于各种应用场景。

Claims (4)

1.一种降低固态硬盘写入性能波动的方法，其特征在于：将固态硬盘缓存拆分为若干缓存资源片段WriteUnit作为最小管理单元，缓存资源申请和释放的单位均为WriteUnit；固态硬盘执行写入任务，首先启用定时器，执行写入任务的每一个时间间隔为Δt；统计执行写入任务的当前时间段内的写入速度V_Current，其次根据写入速度V_Current及当前时间段内固态硬盘的运行状态计算下一个时间段内的写入速度V_Target，然后根据V_Target的值确定释放固态硬盘内部缓存资源片段WriteUnit的个数，最后根据已经释放的缓存资源片段WriteUnit的个数接收并处理主机下发的写入命令。

2.根据权利要求1所述降低固态硬盘写入性能波动的方法，其特征在于：所述下一个时间段内的写入速度V_Target计算过程包括：

1)计算速度变化的第一参考值V_REF01；

a)统计当前时间段内的Block变化情况，记为ΔBlock，

ΔBlock＝Block_Used-Block_Added

其中Block_Used表示当前时间段内因执行写入命令消耗的NAND Flash的Block个数；Block_Added表示当前时间段内因执行垃圾回收操作释放的NAND Flash的Block个数；

b)统计当前时间段内的精确时间ΔT：

其中ΔTick表示当前时间间隔内CPU经历的tick个数，CLK_CPU表示CPU的频率；

c)计算速度变化的第一参考值V_REF01：

其中WriteUnitPerBlock表示每个Block的size对应WriteUnit的个数；

2)计算速度变化的第二参考值V_REF02；

a)统计当前时间段可用的空闲Block数目，记为Block_Free，

b)计算当前空闲Block和触发垃圾回收条件的空闲Block阈值Block_GC之间的差值，

ΔBlock_Free＝Block_Free-Block_GC

c)计算速度变化的第二参考值V_REF02：

其中N1和N2为预先设定的参数；

3)计算下一个时间段内的写入速度V_Target：

V_Target＝V_Current+w1*V_REF01+w2*V_REF02

其中w1和w2为预先设定的参数；

4)计算下一个时间段内的速度最大值V_MaxNext1；

5)计算下一个时间段内的速度最大值V_MaxNext2；

6)确定下一个时间段的速度值V_Target值的范围不能超过V_MaxNext1和V_MaxNext2的值，即需满足下式：

V_Target≤min{V_MaxNext1,V_MaxNext2}；

7)根据当前时间段的速度值V_Current对步骤3)计算得到的V_Target值做平滑处理；

a)参考当前时间段内的速度值V_Current，下一个时间段内的速度值V_Target为：

V_Target＝μ*V_Current+ν*V_Target

其中μ和v为给定值，且μ+v＝1；

b)将下一个时间段内的速度与上一个时间段内的速度波动控制在限定范围内，确保最终的下一个时间段内的速度值V_Target满足以下条件：

其中σ为给定值；

c)通过V_Target推算出释放固态硬盘内部缓存资源个数WriteUnit_Free：

WriteUnit_Free＝V_Target*Δt

最后根据缓存资源释放的个数按需释放缓存资源给下一个时间间隔的写入命令使用。

3.根据权利要求2所述降低固态硬盘写入性能波动的方法，其特征在于：所述速度最大值V_MaxNext1的计算步骤包括：

a)当前空闲Block大于触发垃圾回收空闲Block阈值，即Block_Free>Block_GC时：

V_MaxNext1＝V_MaxWrite

其中V_MaxWrite为设定值，表示固态硬盘允许的最大写入速度；

b)当前空闲Block小于触发垃圾回收空闲Block阈值,但是大于最小空闲Block，记为Block_MinFree,即Block_MinFree<Block_Free<Block_GC,时：

其中V_MaxGC为设定值，表示固态硬盘允许的最大垃圾回收速度；

c)当前空闲Block小于最小空闲Block，即BlockFree<BlockMin时：

4.根据权利要求2或3所述降低固态硬盘写入性能波动的方法，其特征在于：所述速度最大值V_MaxNext2的计算步骤包括：

其中T_Flt，表示当前时间段内因写入数据需要更新的映射表的时间。

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