一种减小ssd读写io时延的方法与系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种减小SSD读写IO时延的方法与系统。
【背景技术】
[0002] 现有SSD主控通过FTL映射表项记录主机逻辑地址与Flash物理地址之间的映射 关系。随着SSD提供的存储空间增大，映射表项的个数也逐渐增多。以2T的SSD容量来看， 假设映射粒度为4K Byte，每个映射表项占用6个Byte，那么FTL映射表项占用的空间大小 为（2T/4K)*6Byte = 3G Byte 大小。
[0003] 由于CPU访问RAM的性能远远高于访问Flash介质的性能，考虑性能原因，SSD主 控通常通过缓存映射表项的方式来保证IO性能。但对于如此大的FTL映射表项数据，当前 的SSD主控无法提供如此大的RAM空间来缓存整张FTL映射表。现有做法是通过采用多级 映射表，RAM缓存部分映射表项数据的方式来保证IO性能（如图1所示，其中：FTL二级映 射表：用于存放FTL映射表项的系统数据块。考虑SSD主控芯片RAM空间大小的问题，FTL 二级映射表通常被分为多块，RAM空间只缓存了部分二级映射表；FTL-级映射表：用于记 录二级映射表在缓存中的状态信息（是否缓存在RAM中），以及二级映射表在Flash上的物 理位置。通常FTL -级映射表整张缓存在RAM中。）。
[0004] 当主机（Host)读IO访问的逻辑地址对应的FTL映射表项不在RAM缓存中时，需 要先将映射表项从Flash介质上读取出来，获取映射关系后再找到对应的物理位置读取数 据。如果遇到RAM缓存空间不够，还需要先下刷原有的映射表项到Flash介质上，再释放 RAM缓存空间。
[0005] 如图2,目前SSD的性能中，IO时延基本都是微秒级。在SSD内部的IO路径上， SSD主控向Flash接口下发读命令，到数据读到RAM中所花费的时间，大概占整个IO时延的 20%左右。如果主机下发的读IO对应的映射表项未在缓存RAM中，需要额外加载一次映射 表项，那么相应的读IO时延也要增加20%左右。所以，在随机IO占多数的应用场景里面， 这部分时延普遍偏大。当主机下发的逻辑读IO请求经过SSD主控，无法在RAM缓存中命中 对应的FTL映射表项时，主控芯片需要从Flash介质上先读取FTL映射表项，再根据FTL映 射表项得到数据存放的物理位置，读取对应的数据。相对能够在缓存中命中FTL映射表项 的读10,上述IO过程中增加了一次从Flash介质读取FTL映射表项的操作，极大的增加了 IO时延。
[0006] 本发明用到的名词解释如下：
[0007] SSD :Solid State Drive，固态硬盘，一种利用Nand Flash介质存储用户数据的存 储装置。
[0008] Vendor命令：根据ATA协议规定的格式，厂商自定义的用于主机和硬盘之间，交互 数据和信息的厂商自定义命令。
[0009] SSD主控：用于管理存放在Nand flash介质上的系统数据和用户数据的SOC芯片。 SSD主控通过相关算法与措施，能够极大的提升整个SSD的寿命和可靠性以及性能，是SSD 系统中最关键最重要的模块。
[0010] LBA :Logical Block Address，主机侧用于访问SSD存储空间的线性逻辑地址。
[0011] PBA :Physical Blcok Address，SSD 主控访问 flash 介质的物理地址。
[0012] FTL映射表项：FTL(Flash translation layer)映射表项记录了主机逻辑地址到 Flash介质物理地址的映射关系。主机下发的读IO请求，为逻辑地址，通过查找对应的映射 表项，计算出数据在flash介质上存放的物理地址，然后读出数据。
[0013] HIF :Host Interface，主机接口，用于SSD主控与主机之间的数据交互。
[0014] FIF :Flash Interface，Nand Flash 颗粒接口，用于 SSD 主控与 Flash 颗粒之间的 数据交互。
【发明内容】
[0015] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种减小SSD读写IO时 延的方法与系统。
[0016] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种减小SSD读写IO时延的 方法，包括以下步骤：
[0017] 1)主机侧加载SSD驱动时，SSD驱动初始化时在内存中分配足够的内存空间，通过 vendor命令，读取SSD的整张FTL映射表数据到主机内存，并将所有FTL映射表项均标记为 干净表项；
[0018] 2)主机侧业务下发读IO时，读IO命令经过SSD驱动，SSD驱动查找读IO逻辑地 址对应的FTL映射表项，根据FTL映射表项记录的物理地址，下发读物理地址的特殊IO命 令到SSD主控；SSD主控收到读IO命令后，检查读IO命令中的相关标记，若发现是读物理地 址的特殊10,直接读取对应Flash物理地址的数据，并返回给主机；主机侧下发写IO命令 时，写IO命令经过SSD驱动，将对应的FTL映射表项标记为脏；SSD主控收到写IO命令后， 将数据写入Flash，同时更新FTL映射表项，并返回写入结果给主机；当写IO命令返回给主 机后，主机向SSD主控下发所述vendor命令，读取对应逻辑地址的FTL映射表项，读取成功 后，利用读取出来的表项数据更新主机内存中记录的FTL映射表项，同时将FTL映射表项重 新标记为干净。
[0019] 本发明还提供了一种减小SSD读写IO时延的系统，其包括：
[0020] 主机：用于加载SSD驱动，并在SSD驱动初始化时在内存中分配足够的内存空间， 通过vendor命令，读取SSD的整张FTL映射表数据到主机内存，将所有FTL映射表项均标记 为干净表项；下发读10命令，查找读10逻辑地址对应的FTL映射表项，根据FTL映射表项 记录的物理地址，下发读物理地址的特殊10命令到SSD主控；下发写10命令，将对应的FTL 映射表项标记为脏；并在收到SSD主控返回的写10命令后，向SSD主控下发所述vendor命 令，读取对应逻辑地址的FTL映射表项，读取成功后，利用读取出来的表项数据更新主机内 存中记录的FTL映射表项，同时将被SSD驱动标记为脏的FTL映射表项重新标记为干净；
[0021] SSD主控：用于在收到读10命令后，检查读10命令中的相关标记，若发现是读物 理地址的特殊10,直接读取对应Flash物理地址的数据，并返回给主机；或者在收到写10 命令后，将数据写入Flash，同时更新FTL映射表项，并返回写入结果给主机；
[0022] Flash :用于存放SSD主控写入的数据。
[0023] 所述主机包括：
[0024] APP或上层：用于下发读IO命令或写IO命令；接收SSD主控返回的写IO命令；
[0025] SSD驱动：用于在主机侧保存一份完整的SSD FTL映射表的镜像，同时在APP或上 层下发读IO命令时，查找读IO逻辑地址对应的FTL映射表项，根据FTL映射表项记录的物 理地址，下发读物理地址的特殊IO命令到SSD主控；在APP或上层下发写IO命令时，将对 应的FTL映射表项标记为脏；
[0026] 内存：用于加载SSD驱动，并通过vendor命令，读取SSD的整张FTL映射表数据， 将所有FTL映射表项均标记为干净表项；并在APP或上层接收SSD主控返回的写IO命令 后，向SSD主控下发vendor命令，读取对应逻辑地址的FTL映射表项，读取成功后，利用读 取出来的表项数据更新FTL映射表项，同时将被SSD驱动标记为脏的FTL映射表项重新标 记为干净。
[0027] 进一步地，该系统还包括：
[0028] HIF :用于SSD主控与主机之间的数据交互；
[0029] FIF :用于SSD主控与Flash颗粒之间的数据交互。
[0030] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明读取一份完整的FTL映射 表镜像到主机内存里，减少整个IO路径上对Flash的读次数，从而达到减小整个读IO时延 的目的，最大限度地避免了读IO请求无法命中FTL映射表的现象，减少甚至消除IO过程中 从Flash介质上获取映射表项的步骤，降低了系统的平均读写IO时延。
【附图说明】
[0031] 图1为SSD主控缓存中的多级映射表；
[0032] 图2为现有SSD主控结构与主机系统接口与结构框图；
[0033] 图3为本发明SSD主控结构与主机系统接口与结构框图；
[0034] 图4为本发明方法时序图。
【具体实施方式】
[0035] 本发明的SSD主控结构图如图3所示，主要包括如下几个部分：
[0036] 一、主机侧SSD驱动
[0037] SSD驱动主要负责在主机侧保存一份完整的SSD FTL映射表的镜像，同时负责根 据主机侧FTL镜像映射表将过往读IO请求中的逻辑地址转换为物理地址，然后按照接口协 议（如SATA和NVMe等）发送给SSD。
[0038] 主要流程如下：
[0039] 1、主机侧加载SSD驱动时，在内存中分配足够内存空间。然后通过自定义vendor 命令，读取SSD的整张FTL映射表数据到主机内存。此时所有FTL映射表项都标记为干净 表项。
[0040] 2、驱动检测并适配主机侧业务下发的读10。
[0041] 主机侧业务