一种快速处理固态硬盘TRIM的方法与流程

本发明涉及固态存储相关技术领域，尤其是指一种快速处理固态硬盘trim的方法。

背景技术：

固态硬盘(solidstatedrives，ssd)采用非易失性存储器(non-volatilememory，nvm)作为存储介质。该种介质物理上不支持覆盖写，需要擦除操作之后才能写入数据，而且需按照块(block)的粒度进行擦除，按照页(page)的粒度进行写入，所以即使当某个块当中的有些页的数据已经无效，也不能将其擦除，而是要通过垃圾回收(garbagecollection，gc)将有效的页搬移到其他块并修改逻辑页和物理页地址的映射关系(logicaltophysical，l2p)，使得该块的有效页计数(validpagecounter，vpc)为0，再将其擦除。由于系统读写的物理带宽资源及介质的擦除次数均是有限的，所以gc的行为将直接影响到系统的读写性能和使用寿命。

操作系统在删除一个文件时候，文件系统会把相应的空间标识成空，允许新的数据进行覆盖写，但是下层的ssd控制器无法感知这些空间已经无效，还会继续将这些已经无效的数据进行搬移，从而影响ssd设备的性能和使用寿命。为此，微软联合各大ssd厂商提出一种trim指令：主机通过向ssd设备下发trim命令，告诉ssd设备哪些空间将不被再用，使ssd设备可以避免无效数据的搬移。主机每次下发的trim命令包含起始逻辑地址(lba)和范围。ssd控制器在处理每个lba的trim的时候需要将对应页的l2p修改成无效，并将对应块的vpc减1。当主机需要trim的lba范围增加的时候，这种逐个lba处理的所需的时间呈线性增加，后续所有主机下发的io命令将会被阻塞，导致巨大的主机io延时，甚至超时。所以，如何快速地完成trim命令显得非常关键，也是ssd控制器设计的一个难点。

技术实现要素：

本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种能够有效解决trim命令处理延时的快速处理固态硬盘trim的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种快速处理固态硬盘trim的方法，采用trim状态表和trim节点状态表记录主机下发的待trim的lba并快速向主机返回trim命令，之后通过设备表项处理模块在背景中处理待trim的lba，具体操作步骤如下：

（1）trim状态表以lba为索引，代表对应的lba是否等待trim，将k个lba映射到一个trim节点，以trim节点为索引建立一个trim节点状态表，trim节点状态表的内容为每个节点的状态；

（2）当主机下发trim命令后，ssd控制器根据起始lba地址和范围将trim状态表和trim节点状态表更新，将主机所要trim的lba信息记录下来，更新完trim状态表和trim节点状态表的时候向主机返回trim命令；

（3）设备表项处理模块在背景上将记录的待trim的lba进行trim操作完成。

本发明提出一种通过建立多个trim相关表项，快速地将主机trim的lba记录下来并返回trim命令，之后在背景中处理trim的各个操作，解决trim命令处理延时巨大的问题的方法。同时，该方法在trim背景处理过程中优先响应主机io的表项的请求，使得ssd的性能不受背景trim操作的明显影响。通过上述方法可以通过少量的trim状态表和trim节点状态表的修改，就可以记住主机所要trim的lba；随着主机发送的trim的lba范围的增加，所需要修改的表项增加量极小，trim返回的时间对trim范围不敏感，可以保证任意trim范围下ssd控制器快速返回trim给主机；由于表项处理模块的处理属于控制面处理，相对于数据面在整个系统中不易成为系统瓶颈，所以系统背景trim操作可以很快完成。由于系统在trim背景处理过程中，优先响应主机的表项访问，所以背景trim的处理过程中，不会对系统性能产生明显的影响。

作为优选，在步骤（1）中，k的取值根据系统调整，通过trim节点状态表可以获悉：该节点中是否有lba待trim，是所有lba待trim还是部分lba待trim的信息；如果是部分lba待trim，则可以通过查找该节点中每个lba对应的trim状态表得知哪些lba待trim；初始时，所有的trim状态表设成m0状态，表示对应的lba不需要trim；所有的tirm节点状态表设成s0，表示对应节点中没有lba需要trim。

作为优选，在步骤（2）中，更新方法如下：lba范围所覆盖的节点中，中间节点的节点状态一律更新成s1，表示该节点的所有lba待trim，对应的trim状态表无需处理；对于头尾节点，如果没有按照节点的粒度对齐，则将其节点状态更新成s2，表示该节点有部分lba待trim，并根据该节点中待trim的lba分布将对应的trim状态表更新成m1，表示对应的lba需要trim。

作为优选，在步骤（3）中，具体的trim操作如下：设备的表项处理模块在空闲的时候将状态为s1或者s2的trim节点逐个处理，如果是s1的节点，先把该节点状态改成s2，所对应的所有的trim状态表状态改成m1，然后按照trim状态表逐个lba进行处理，处理完之后退出该节点，并将该节点状态更新成s0；如果是s2的节点，直接按照trim状态表逐个lba进行处理，处理完成后退出该节点，并将该节点状态更新成s0。

作为优选，在步骤（3）中，当有主机io读写命令下发到设备的时候，如果设备正在处理某一个trim节点，设备立即退出当前的节点转而处理主机io读写所击中的lba表项操作，待完成后再继续执行背景trim；如果主机下发的是io正好是待trim的lba，那么如果主机下发的是io读，则直接返回无效；如果主机下发的是io写，且该lba是待trim的lba，则更新l2p表和vpc表，更新trim状态表为m0。

作为优选，在步骤（3）中，在垃圾回收的时候，ssd控制器先查找trim状态表确认将要搬移的lba是否是待trim的lba，如果是，就不进行搬移，防止搬移无效的数据。

本发明的有益效果是：快速地将主机trim的lba记录下来并返回trim命令，之后在背景中处理trim的各个操作，解决trim命令处理延时巨大的问题的方法；在trim背景处理过程中优先响应主机io的表项的请求，使得ssd的性能不受背景trim操作的明显影响。

附图说明

图1是本发明的表项映射关系示意图；

图2是本发明的表项映射关系实例图；

图3是本发明的表项更新示意图；

图4是本发明的trim节点状态转换示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

一种快速处理固态硬盘trim的方法，采用trim状态表和trim节点状态表记录主机下发的待trim的lba并快速向主机返回trim命令，之后通过设备表项处理模块在背景中处理待trim的lba，具体操作步骤如下：

（1）trim状态表以lba为索引，代表对应的lba是否等待trim，将k个lba映射到一个trim节点，以trim节点为索引建立一个trim节点状态表，trim节点状态表的内容为每个节点的状态，如图1所示；k的取值根据系统调整，通过trim节点状态表可以获悉：该节点中是否有lba待trim，是所有lba待trim还是部分lba待trim的信息；如果是部分lba待trim，则可以通过查找该节点中每个lba对应的trim状态表得知哪些lba待trim；初始时，所有的trim状态表设成m0状态，表示对应的lba不需要trim；所有的tirm节点状态表设成s0，表示对应节点中没有lba需要trim。

（2）当主机下发trim命令后，ssd控制器根据起始lba地址和范围将trim状态表和trim节点状态表更新，将主机所要trim的lba信息记录下来，更新完trim状态表和trim节点状态表的时候向主机返回trim命令；更新方法如下：lba范围所覆盖的节点中，中间节点的节点状态一律更新成s1，表示该节点的所有lba待trim，对应的trim状态表无需处理；对于头尾节点，如果没有按照节点的粒度对齐，则将其节点状态更新成s2，表示该节点有部分lba待trim，并根据该节点中待trim的lba分布将对应的trim状态表更新成m1，表示对应的lba需要trim。

（3）设备表项处理模块在背景上将记录的待trim的lba进行trim操作完成；具体的trim操作如下：设备的表项处理模块在空闲的时候将状态为s1或者s2的trim节点逐个处理，如果是s1的节点，先把该节点状态改成s2，所对应的所有的trim状态表状态改成m1，然后按照trim状态表逐个lba进行处理，处理完之后退出该节点，并将该节点状态更新成s0；如果是s2的节点，直接按照trim状态表逐个lba进行处理，处理完成后退出该节点，并将该节点状态更新成s0。

当有主机io读写命令下发到设备的时候，如果设备正在处理某一个trim节点，设备立即退出当前的节点转而处理主机io读写所击中的lba表项操作，待完成后再继续执行背景trim；如果主机下发的是io正好是待trim的lba，那么如果主机下发的是io读，则直接返回无效；如果主机下发的是io写，且该lba是待trim的lba，则更新l2p表和vpc表，更新trim状态表为m0。

在垃圾回收的时候，ssd控制器先查找trim状态表确认将要搬移的lba是否是待trim的lba，如果是，就不进行搬移，防止搬移无效的数据。

本发明的优点在于：可以通过少量的trim状态表和trim节点状态表的修改，就可以记住主机所要trim的lba；随着主机发送的trim的lba范围的增加，所需要修改的表项增加量极小，trim返回的时间对trim范围不敏感，可以保证任意trim范围下ssd控制器快速返回trim给主机；由于表项处理模块的处理属于控制面处理，相对于数据面在整个系统中不易成为系统瓶颈，所以系统背景trim操作可以很快完成。由于系统在trim背景处理过程中，优先响应主机的表项访问，所以背景trim的处理过程中，不会对系统性能产生明显的影响。

以下是本发明的一种具体实例：

如图2所示，每个l2p表位宽32bit，trim状态表位宽为1bit，trim节点状态表位宽为2bit。32k个trim状态表单元以作为一个组映射到一个trim节点表的单元。每个lba的大小为4kb，如果ssd设备的容量为1tb，则l2p表的大小为1gb，trim状态表为32mb，tirm节点状态表为2kb。

trim状态表一共有两种状态：0表示无需处理，1表示待trim。tirm节点状态表，一共有3种状态：idle(2’b00)，pending(2’b01)，dirty(2’b10)。其中idle表示该节点没有待trim的lba；pending表示该节点的所有lba待trim；dirty表示该节点中有部分lba待trim，需要根据trim状态表获悉哪些lba等待被trim。

ssd设备上电初始化的时候，所有的trim节点状态表都初始化成idle状态，所有trim状态清0。当主机下发trim命令后，ssd控制器根据起始lba地址和范围将对应的trim节点状态表更新成pending状态，如果主机下发trim的lba范围没有按照trim节点的粒度对齐，则将头尾非对其的lba所对应的trim节点的状态成dirty并将对应的trim状态表置成1，随后向主机返回trim命令完成。如图3所示，为主机下发trim的lba范围从lba(32k-2)~lba(96k+1)，该范围共覆盖的lba个数为62k+4，涉及两个完成的节点和两个不完整的头尾节点。ssd控制器将节点0和3的节点状态表改成dirty状态，并将相应的trim状态表置成1；同时将节点1和2的节点状态表改成pending状态，然后向主机返回trim命令。处理该64k+4个lba的trim，ssd控制器只需要头尾trim节点各两个trim状态表及两个中间接点的trim节点状态表，一共2bit+2bit+2x2bit=8bit，就可以返回trim命令。

trim命令返回后，ssd控制器表项处理模块可以在背景上将主机需要trim的lba真正trim掉。每个lba的trim包括：l2p表项的修改、将原数据所在的块的vpc减1等操作。设备的表项处理模块将pending或者dirty的节点按照trim状态表逐个处理：如果是pending的节点，先把改节点所对应的trim比特表置位并将其状态改为dirty，然后按照trim比特表逐个lba进行处理，处理完每个lba的时候将对应的trim状态表清0，直至处理完所有lba后退出该节点，并将该节点状态更新成idle；如果是dirty节点，直接按照trim状态表逐个lba进行处理，处理完成后退出该节点，并将该节点状态更新成idle，如图4所示。

ssd控制器在背景上处理待trim的lba的时候，如果主机再下发trim命令的时候上一条trim命令的背景操作还未完成，同样可以按照上述流程进行处理。

实例中，ssd控制器正在处理trim节点0的时候：

如果主机下发了写lba(100k)，ssd控制器立即退出当前的节点0转而处理主机io写所击中的lba(100k)的表项操作，由于lba(100k)不属于待tirm的lba，ssd控制器按照正常写来处理lba(100k)表项操作，然后返回继续处理节点0；如果主机下发写lba(64k)，ssd控制器立即退出节点0，由于lba(64k)位于节点2，且该节点状态为pending，ssd控制器先将节点2改成dirty状态，将该节点所有trim状态表置成1，再将lba(64k)对应trim状态表清0，然后再更改l2p表，修改vpc表等操作，然后再继续执行背景trim。

如果主机下发了读lba(100k)，ssd控制器立即退出节点0转而处理主机io读所击中的lba(100k)的表项操作，由于lba(100k)不属于待trim的lba，ssd控制器将l2p里面指向的物理地址中的数据返回给主机。如果主机下发读lba(64k)，ssd控制器立即退出节点0，由于lba(64k)位于节点2，该节点是状态为pending，ssd控制器将向主机返回无效的数据。然后表项处理模块继续处理背景的trim。

ssd控制器在做垃圾回收的时候，先查找将要搬移的lba是否是待trim的lba，如果是，就不进行搬移，防止搬移无效的数据。