一种异常断电时固态硬盘数据快速备份的方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于固态存储领域，尤其涉及一种基于电容的异常断电时固态硬盘数据快速备份的方法及系统。
【背景技术】
[0002]NAND Flash作为一种非易失性存储器件，具有体积小、访问速度快、功率小及抗震等优良特性，因此，基于NAND Flash技术的固态硬盘(Solid StateDrives, SSD)目前已经应用于军用及民用存储领域。NAND flash主要有两种:SLC NAND flash (Single-Level-Cell NAND flash,单层 NAND flash)和 MLC NANDflash (Mult1-Level-Cell NAND flash，多层 NAND flash), MLC NAND flash 因其储存密度较大，价格便宜等优点，应用更加广泛。MLC NAND flash采用一种称之为“多页结构”的技术，g卩一个物理页分为两个逻辑页，分别为LSB (Least Significant Bit)页和MSB (MostSignificant Bit)页。由于对MLC NAND flash某一物理页编程时，必须先编程LSB页，再编程MSB页，因此LSB页对应着较低的参考电压，因此，LSB页具有较快的编程速度，并且当只使用LSB页时，MLC NAND flash可以达到与同等制程的SLC NAND flash相近的较低的误码率。
[0003]在固态硬盘的实际使用中，意外掉电情况时有发生，由于其不可预知性，意外掉电会造成固态硬盘临时数据丢失，而这些临时数据可能为地址映射表或者文件系统关键数据，一旦这些数据丢失，固态硬盘本身和用户系统就会面临崩溃的风险。因此，大电容作为意外掉电时的备用电源目前已经广泛应用于固态硬盘中。基于大电容的固态硬盘典型存储系统结构如图1所示，固态硬盘电源部分包括主电源和备份电容，主电源一般由主接口(如USB, SATA等)提供，在正常操作时为固态存储系统提供电源，并且为备份电容充电。一个或者多个大电容在正常操作时存储能量，并在系统意外掉电时作为备份电源使用。由于电容在放电过程中电压是不稳定的，因此，必须使用电压调节器对电容电压进行变换，以为固态存储系统提供稳定的供电电压，电压调节器一般为稳压管、DC/DC等。固态存储系统由NAND flash阵列和SSD(Solid State Drive，固态硬盘)控制器组成。为了提高固态存储系统容量并减少Flash控制器封装，一般将多片NAND flash芯片组成多个通道，这些通道再与Flash控制器相连接。如图1所示，SSD控制器由处理器、缓存控制器、RAM以及Flash控制器组成，SSD控制器主要是接收来自主接口的访问请求，并将这些请求进行地址映射等操作，最后控制Flash控制器完成这些请求。
[0004]大电容容量一般是有限的，并且其容量会随着时间逐渐减小，因此，增强基于大电容的固态硬盘存储系统备份效率和可靠性是非常必要的。为了提高备份数据效率及可靠性，需要解决以下问题:
[0005](I)由于备份电容寿命和容量的限制，备份数据需要尽可能快地备份到NANDflash中。由于系统的意外掉电一般来说是不可预知的，在系统掉电的时刻系统有可能在处理一些耗时的任务，如NAND flash的擦除操作，因此，在这些情况发生时，如何通过有效地调度NAND flash的使用从而达到安全快速的数据备份是一个亟待解决的问题；
[0006](2)由于备份电容在放电过程是不稳定的，虽然一般有电压调节器去稳压，但其放电过程却是存在一定的不可预知性，因此，如果在发生意外掉电时，仅仅提高数据备份效率就可能会出现一些数据可靠性的问题；
[0007](3)如果在MLC NAND flash的MSB页进行编程时发生意外掉电，则会发生低页数据破坏的现象(lower page corrupt1n phenomenon)，即在重新上电时，已经编程完毕的LSB页数据误码率会显著上升，进一步危害了备份数据安全。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题在于提供一种异常断电时固态硬盘数据快速备份的方法及系统，旨在解决现有技术不能解决在固态硬盘在异常断电时进行安全快速、准确有效的数据备份的问题。
[0009]本发明是这样实现的，一种异常断电时固态硬盘数据快速备份的方法，步骤包括:
[0010]步骤A，监测是否出现异常断电；
[0011]步骤B，若监测到发生异常断电，计算备份电容的释放能量是否满足数据备份的需求；
[0012]步骤C，若判断备份电容的释放能量能够满足数据备份需求，确定一空闲通道，以所述空闲通道为数据备份的写入通道；
[0013]步骤D，通过所述空闲通道进行数据备份。
[0014]本发明与现有技术相比，有益效果在于:本发明根据备份电容的放电特性，采用动态通道选择的方法，充分利用目前所有可利用通道备份数据，从而提高了数据备份速度，进一步地，为了保证备份数据的可靠性，进行备份时采用只编程LSB页的方法，在提高了备份效率同时，降低了备份数据误码率，且避免了低页数据破坏的现象。
【附图说明】
[0015]图1是现有技术提供的基于大电容的固态硬盘典型存储系统的结构示意图。
[0016]图2是本发明实施例提供的智能备份系统的结构示意图。
[0017]图3是本发明实施例提供的数据备份和数据恢复任务的执行过程示意图。
[0018]图4是本发明实施例提供的一种异常断电时固态硬盘数据快速备份方法的流程图。
[0019]图5是本发明实施例提供的数据备份与数据恢复的流程示意图。
[0020]图6是本发明实施例提供的一种异常断电时固态硬盘数据快速备份系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0022]本发明中，在异常断电时执行智能备份任务的是位于RAM和NAND Flash控制器之间的一层软件。具有智能备份功能的固态存储系统的结构如图2所示，主机与存储系统通过主接口相连，主接口同时也是在正常操作时存储系统的主电源及备份电源模块的充电电源。主机文件系统的所有请求均由FTL(Flash Translat1n Layer，Flash转译层)通过控制NAND Flash控制器完成。FTL主要完成文件系统逻辑地址到NAND Flash物理地址的映射、垃圾回收及损耗均衡功能。为了提高系统I/O速率减少系统延时，FTL的全部或部分映射表、当前悬挂的请求以及文件系统关键数据等保存在RAM中，以便快速访问及更新。
[0023]出现异常掉电时，备份电容作为临时电源为存储系统供电，以便进行数据备份。同时，系统产生一个硬件中断，数据备份任务作为中断服务程序将被执行。图3描述了数据备份任务和数据恢复任务的执行次序及优先级。数据备份的目的是将RAM中的数据写入到NAND Flash阵列中以避免数据丢失。当主电源恢复时，数据恢复任务由于其优先级较高被首先执行，将NAND flash阵列中的备份数据写入到RAM中。
[0024]为了加快备份过程同时保证备份数据的可靠性，智能备份在NAND Flash阵列中单独开辟一个固定的物理分区保存备份数据，为了利用NAND Flash阵列的并行性，此分区平均分布于NAND Flash阵列的每个物理通道中。由于NAND Flash是一种“非即时”更新的存储器件，即NAND flash的每一个物理块在写入数据前必须首先进行擦除操作，因此，NANDFlash阵列需要垃圾回收操作以回收已写入数据的“脏块”。在智能备份方法中，备份数据分区的全部物理块将在数据恢复时一