CN101819509A - 一种固态硬盘读写方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态硬盘读写方法，包括四类操作：从固态硬盘读数据，向固态硬盘写数据，缓存数据写入闪存，以及固态硬盘擦除无效块，其特征在于：基于缓存，预先建立带缓存的块级地址映射表；并且预先将固态硬盘存储空间分为数据块区、无效块区和空块区；所述数据块区、无效块区和空块区以数组形式保存各自的擦除次数和物理块地址信息；所述四类操作：从固态硬盘读数据，向固态硬盘写数据，缓存数据写入闪存，以及固态硬盘擦除无效块，是并行执行的四类操作。本发明通过外加缓存的方式有效地降低了闪存的擦除频率，提高了固态硬盘的寿命；其四类操作可并行执行，有助于提高固态硬盘的读写速度；采用块级地址映射方式，占用的系统存储资源少。

Description

一种固态硬盘读写方法

技术领域

本发明涉及硬盘，尤其是涉及一种固态硬盘读写方法。

背景技术

固态硬盘又称闪存固态存储系统，具有数据传输速度快、可靠性高、功耗低、防震抗摔、无工作噪音、发热小、重量轻等优点，非常适合用于个人用户便携式移动存储领域和政府机关、政法系统、银行、保险公司等要求高可靠性的存储领域。固态硬盘的读写方法以及读写擦等操作之间的关系是存储系统的访问速度、寿命、可靠性等多项重要指标的决定因素之一。韩国三星公司、首尔国立大学针对单片闪存固态存储系统的具体现象和单个问题进行分析，如地址映射提出了三种基本地址映射策略：页映射、块映射和混合映射，但仍然存在不能在保证系统访问速度的同时尽量减小地址映射表所占用的存储空间的缺陷。而针对闪存固态存储系统的损耗均衡提出的Hot-clod swapping、Turn-based selection、Old-block protection、Erase Pool等方法，由于所需的存储空间大和查找算法复杂度大，并行性差，只能适应于单片闪存固态存储系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补现有技术中查找算法复杂度大、操作并行性差、地址映射表占用系统资源多以及不实用的缺陷，提供一种实用且高效的固态硬盘读写方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种固态硬盘读写方法，包括四类操作：从固态硬盘读数据，向固态硬盘写数据，缓存数据写入闪存，以及固态硬盘擦除无效块。

这种固态硬盘读写方法的特点是：

基于缓存，预先建立带缓存的块级地址映射表，所述块级地址映射表是逻辑块地址到物理块地址的转换表，所述带缓存的块级地址映射表是缓存中所存页的逻辑页地址到物理页地址的转换表；

并且预先将固态硬盘存储空间分为数据块区、无效块区和空块区，所述数据块区是其中写有有效数据的块区，所述无效块区是指数据已经标注为删除但其中物理信息尚未真正擦除的块区，所述空块区是指已经过擦除可以重新写入数据的块区；

所述数据块区、无效块区和空块区以数组形式保存各自的擦除次数和物理块地址信息；

所述四类操作：从固态硬盘读数据，向固态硬盘写数据，缓存数据写入闪存，以及固态硬盘擦除无效块，是并行执行的四类操作。

本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述缓存数据写入闪存，在固态硬盘系统掉电或缓存中的可用空间小于总缓存的10±5％时才启动。

所述固态硬盘擦除无效块，在固态硬盘系统未接到外界读写命令或空块数低于初始空块数的10±1％的阈值时才启动。所述阈值一般为16～48，阈值过大，包括数据块、无效块与空块在内的闪存块之间读写次数突变太大，会导致损耗均衡效果不好，不利于动态损耗均衡的实现；阈值过小，则不利于空块数组表的管理。

所述从固态硬盘读数据，包括查找缓存页映射表，从缓存中读入数据。

所述向固态硬盘写数据，包括查找缓存页映射表，向缓存写入数据。

所述缓存数据写入闪存，包括从闪存读入同一物理块中剩余有效页数据，将原数据块加入无效块数组表，再从空块数组表中选择空块，将相应数据写入到空块，最后将写有数据的空块加入到数据块数组中，并更新地址映射表。

所述固态硬盘擦除无效块，即无效块区的无效块擦除，包括从无效块数组中选择无效块，擦除无效块，从无效块数组中删除无效块信息，并将擦除后的无效块信息添加进空块数组中。

本发明的技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。

所述从固态硬盘读数据，包括根据外界给出的读逻辑扇区地址，翻译为逻辑页地址，通过查缓存页映射表，确定对应逻辑页是否在缓存中：

如果确定是，直接读出缓存中对应页的数据；

如果确定否，就翻译为逻辑块地址，通过查块级地址映射表，确定物理块地址，加上页偏移，从闪存中读出数据到缓存，再读缓存中对应页的数据。

所述向固态硬盘写数据，包括根据外界给出的写逻辑扇区地址，翻译为逻辑页地址，通过查缓存页映射表，确定对应逻辑页是否在缓存中：

如果确定是，直接写入缓存，覆盖原有数据；

如果确定否，就在缓存中申请一页大小的新空间，将数据写入缓存，并更新缓存页映射表。

所述缓存数据写入闪存，包括根据最近最少未被使用原则和属于同一物理块页数最多原则，挑选属于同一物理块的缓存页，并从闪存读入所选物理块中剩余有效页数据，所述剩余有效页是不存在于缓存页映射表中的写有有效数据的页，写入步骤依次是：

先将对应的原数据块从数据块数组中剔除，并加入到无效块数组表中；

再从空块区中选择擦除次数低于阈值的空块，并将所选空块加入数据块数组表；

最后将缓存中对应的数据全部写入新的数据块，并更新块地址映射表中逻辑块地址对应的物理块地址。

所述固态硬盘擦除无效块，即无效块区的无效块擦除，包括选择无效块数组表最末一个元素对应的无效块进行擦除，并将擦除后的无效块加入到空块数组表中。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明固态硬盘读写方法是一种实用且高效的固态硬盘读写方法。通过外加缓存的方式有效地降低了闪存的擦除频率，提高了固态硬盘的寿命；其四类操作可并行执行，有助于提高固态硬盘的读写速度；采用块级地址映射方式，占用的系统存储资源少。

附图说明

图1是本发明具体实施方式从固态硬盘读数据的操作过程示意图；

图2是本发明具体实施方式向固态硬盘写数据的操作过程示意图；

图3是本发明具体实施方式缓存数据写入闪存的操作过程示意图；

图4是本发明具体实施方式固态硬盘擦除无效块的操作过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明的方法进行进一步说明。

如图1～4所示的固态硬盘读写方法，包括可并行执行的四类操作：从固态硬盘读数据，向固态硬盘写数据，缓存数据写入闪存，以及固态硬盘擦除无效块。

本具体实施方式基于缓存，预先建立带缓存的块级地址映射表，块级地址映射表是逻辑块地址到物理块地址的转换表，带缓存的块级地址映射表是缓存中所存页的逻辑页地址到物理页地址的转换表；并且预先将固态硬盘存储空间分为数据块区、无效块区和空块区。数据块区是其中写有有效数据的块区。无效块区是指数据已经标注为删除但其中物理信息尚未真正擦除的块区。空块区是指已经过擦除可以重新写入数据的块区。数据块区、无效块区和空块区以数组形式保存各自的擦除次数和物理块地址信息。

当从固态硬盘读数据时，如图1所示。如根据外界给出的读逻辑扇区地址8，翻译为逻辑页地址1，通过查缓存页映射表，确定对应逻辑页是否在缓存中。如果确定逻辑页是在缓存中，如图1中实线所示，直接读出缓存中对应页的数据；如果确定逻辑页不是在缓存中，就翻译为逻辑块地址1，如图1中虚线所示，通过查块级地址映射表，确定物理块地址12，加上页偏移，从闪存中读出数据到缓存，再读缓存中对应页的数据。

当向固态硬盘写数据时，如图2所示。如根据外界给出的写逻辑扇区地址8，翻译为逻辑页地址1，通过查缓存页映射表，确定对应逻辑页是否在缓存中。如果确定逻辑页是在缓存中，直接写入缓存，覆盖原有数据；如果确定逻辑页不是在缓存中，就在缓存中申请一页大小的新空间，将数据写入缓存，同时更新缓存页映射表

当缓存数据写入闪存时，如图3所示。如根据最近最少未被使用原则和属于同一物理块页数最多原则，挑选属于同一物理块的缓存页，其对应的物理块地址为12，从闪存读入所选物理块地址为12的物理块中剩余有效页数据，先将对应的原数据块从数据块数组中剔除，并加入到无效块数组表中；再从空块区中选择擦除次数低于阈值32的空块，物理块地址5，擦除次数10，并将其加入数据块数组表；最后将缓存中查地址映射表得到的逻辑块地址1对应的所有页的数据全部写入新的数据块，并更新块地址映射表中逻辑块地址对应的物理块地址，逻辑块地址1对应的物理块地址由12变为5。

当固态硬盘擦除无效块时，如图4所示，包括选择无效块数组表最后一个元素所对应的物理块地址为12的无效块，再擦除该无效块，同时擦除次数加1，即擦除次数由5变成了6，最后从无效块区剔除物理块地址为12的无效块，并将擦除后的物理块地址为12的块加入到空块区。

所述缓存数据写入闪存，在固态硬盘系统掉电或缓存中的可用空间小于总缓存的10±5％时才启动。

所述固态硬盘擦除无效块，在固态硬盘系统未接到外界读写命令或空块数低于初始空块数的10±1％的阈值时才启动。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种固态硬盘读写方法，包括四类操作：从固态硬盘读数据，向固态硬盘写数据，缓存数据写入闪存，以及固态硬盘擦除无效块，其特征在于：

基于缓存，预先建立带缓存的块级地址映射表，所述块级地址映射表是逻辑块地址到物理块地址的转换表，所述带缓存的块级地址映射表是缓存中所存页的逻辑页地址到物理页地址的转换表；

并且预先将固态硬盘存储空间分为数据块区、无效块区和空块区，所述数据块区是其中写有有效数据的块区，所述无效块区是指数据已经标注为删除但其中物理信息尚未真正擦除的块区，所述空块区是指已经过擦除可以重新写入数据的块区；

所述数据块区、无效块区和空块区以数组形式保存各自的擦除次数和物理块地址信息；

所述四类操作：从固态硬盘读数据，向固态硬盘写数据，缓存数据写入闪存，以及固态硬盘擦除无效块，是并行执行的四类操作。

2.根据权利要求1所述的固态硬盘读写方法，其特征在于：

所述缓存数据写入闪存，在固态硬盘系统掉电或缓存中的可用空间小于总缓存的10±5％时才启动。

3.根据权利要求1所述的固态硬盘读写方法，其特征在于：

所述固态硬盘擦除无效块，在固态硬盘系统未接到外界读写命令或空块数低于初始空块数的10±1％的阈值时才启动。

4.根据权利要求2或3所述的固态硬盘读写方法，其特征在于：

所述从固态硬盘读数据，包括查找缓存页映射表，从缓存中读入数据；

所述向固态硬盘写数据，包括查找缓存页映射表，向缓存写入数据。

5.根据权利要求2或3所述的固态硬盘读写方法，其特征在于：

所述缓存数据写入闪存，包括从闪存读入同一物理块中剩余有效页数据，将原数据块加入无效块数组表，再从空块数组表中选择空块，将相应数据写入到空块，最后将写有数据的空块加入到数据块数组中，并更新地址映射表。

6.根据权利要求2或3所述的固态硬盘读写方法，其特征在于：

所述固态硬盘擦除无效块，即无效块区的无效块擦除，包括从无效块数组中选择最末一个元素对应的无效块，擦除无效块，从无效块数组中删除无效块信息，并将擦除后的无效块信息添加进空块数组中。

7.根据权利要求2或3所述的固态硬盘读写方法，其特征在于：

所述从固态硬盘读数据，包括根据外界给出的读逻辑扇区地址，翻译为逻辑页地址，通过查缓存页映射表，确定对应逻辑页是否在缓存中：

如果确定是，直接读出缓存中对应页的数据；

如果确定否，就翻译为逻辑块地址，通过查块级地址映射表，确定物理块地址，加上页偏移，从闪存中读出数据到缓存，再读缓存中对应页的数据。

8.根据权利要求4所述的固态硬盘读写方法，其特征在于：

所述向固态硬盘写数据，包括根据外界给出的写逻辑扇区地址，翻译为逻辑页地址，通过查缓存页映射表，确定对应逻辑页是否在缓存中：

如果确定是，直接写入缓存，覆盖原有数据；

如果确定否，就在缓存中申请一页大小的新空间，将数据写入缓存，并更新缓存页映射表。

9.根据权利要求5所述的固态硬盘读写方法，其特征在于：

所述缓存数据写入闪存，包括根据最近最少未被使用原则和属于同一物理块页数最多原则，挑选属于同一物理块的缓存页，并从闪存读入所选物理块中剩余有效页数据，所述剩余有效页是不存在于缓存页映射表中的写有有效数据的页，写入步骤依次是：

先将对应的原数据块从数据块数组中剔除，并加入到无效块数组表中；

再从空块区中选择擦除次数低于阈值的空块，并将所选空块加入数据块数组表；

最后将缓存中对应的数据全部写入新的数据块，并更新块地址映射表中逻辑块地址对应的物理块地址。

10.根据权利要求6所述的固态硬盘读写方法，其特征在于：

所述固态硬盘擦除无效块，即无效块区的无效块擦除，包括选择无效块数组表最末一个元素对应的无效块进行擦除，并将擦除后的无效块加入到空块数组表中。

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