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應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510381641.0

申請日:

2015.07.02

公開號:

CN104991743A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 3/06申請日:20150702|||公開
IPC分類號: G06F3/06 主分類號: G06F3/06
申請人: 西安交通大學
發明人: 孫宏濱; 代亮亮; 王建校; 鄭南寧
地址: 710049陜西省西安市咸寧西路28號
優先權:
專利代理機構: 西安通大專利代理有限責任公司61200 代理人: 陸萬壽
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510381641.0

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.01.19|||2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法,包括以下步驟:由冷熱數據鑒別機制鑒別寫請求對應的邏輯地址中的熱邏輯地址,并根據一個時間周期內的所有熱邏輯地址構建熱數據鏈,再利用緩存管理策略為熱數據鏈中命中的寫請求對應的邏輯地址分配更新的數據結點,同時通過快速定位查找方法查詢熱數據鏈中命中的寫請求的邏輯地址在ReRAM緩存中對應的數據結點所在位置。本發明能夠有效降低物理地址的耗費,同時冷熱邏輯地址的鑒別精度高。

權利要求書

權利要求書
1.  一種應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法,其特征在于,包括以下步驟:
由冷熱數據鑒別機制鑒別寫請求對應的邏輯地址中的熱邏輯地址,并根據一個時間周期內的所有熱邏輯地址構建熱數據鏈,再利用緩存管理策略為熱數據鏈中命中的寫請求對應的邏輯地址分配更新的數據結點,同時通過快速定位查找方法查詢熱數據鏈中命中的寫請求的邏輯地址在ReRAM緩存中對應的數據結點所在位置。

2.  根據權利要求1所述的應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法,其特征在于,根據一個時間周期內的所有熱邏輯地址構建熱數據鏈的具體操作為:在每個時間周期結束后,將該時間周期內的所有熱邏輯地址構成一個熱數據鏈,再將熱數據鏈鏈接到循環隊列尾指針指向的結點后,并將尾指針指向下一個結點,同時按照循環隊列的原理管理每個時間周期產生的熱數據鏈,然后除去循環隊列中的冗余熱邏輯地址。

3.  根據權利要求2所述的應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法,其特征在于,除去循環隊列中的冗余熱邏輯地址的具體操作為:一個時間周期后遍歷查詢循環隊列中所有熱邏輯地址,判斷該時間周期產生的熱邏輯地址是否已經存在,若存在,則刪除熱數據鏈中查詢的熱邏輯地址,否則,則將該時間周期產生的熱邏輯地址作為熱數據鏈中的一員鏈接到循環隊列尾指針指向的結點后,當循環隊列已滿時,則在每個時間周期后刪除循環隊列首指針指向的結點的熱數據鏈,再去除該時間周期產生熱數據鏈中的冗余熱邏輯地址,然后再將該時間周期產生的熱數據鏈加入到循環隊列尾指針指向的結點后面,最后循環隊列尾指針指向下一個結點。

4.  根據權利要求1所述的應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡 方法,其特征在于,利用緩存管理策略為熱數據鏈中命中的寫請求對應的邏輯地址分配更新的數據結點的具體操作為:
查詢ReRAM緩存判斷寫請求是否命中,若未命中,則按照緩存管理策略分配一個ReRAM緩存結點給當前寫請求對應的邏輯地址,再將寫請求對應的邏輯地址存入到該ReRAM緩存內的結點中;若命中,則查詢熱數據鏈,當寫請求對應的邏輯地址在熱數據鏈中未命中時,則查詢寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的結點位置,然后在查找到的ReRAM緩存中的結點位置更新寫請求對應的邏輯地址;當寫請求對應的邏輯地址在熱數據鏈中命中時,則通過快速定位查找方法定位寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的結點位置,再采用緩存管理策略為本次寫請求對應的邏輯地址更新分配一個ReRAM緩存中的結點,然后將本次寫請求對應的邏輯地址更新到分配的ReRAM緩存中的結點處,并設置本次寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中對應的原結點無效,完成數據交換操作。

5.  根據權利要求1所述的應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法,其特征在于,通過快速定位查找方法查詢熱數據鏈中命中的寫請求的邏輯地址在ReRAM緩存中對應的數據結點所在位置的具體操作為:
采用哈希查找方法定位寫請求在ReRAM緩存中的位置,并通過鏈地址法處理哈希沖突,哈希表由一個指針數組和指針數組中的每個元素后鏈接的鏈表構成,鏈表結點的數據域包含寫請求對應的邏輯地址和存儲該寫請求對應的邏輯地址對應緩存物理地址的指針*rppn,鏈表結點的指針域包含指向下一個結點的指針*next,寫請求的邏輯地址在熱數據鏈中命中時,查詢哈希表定位寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的位置,然后更新寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的物理地址,完成數據交 換操作,最后將寫請求對應的邏輯地址對應的新的物理地址更新到哈希表中;若寫請求對應的邏輯地址從熱數據鏈中刪除時,需要同時刪除哈希表中寫請求對應的邏輯地址所在的結點;若新的寫請求對應的邏輯地址插入到熱數據鏈中時,需要將寫請求對應的邏輯地址和其在ReRAM緩存中對應的物理地址作為一個新的結點增添到哈希表中。

說明書

說明書應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法
技術領域
本發明屬于非易失性數據存儲技術領域,涉及一種應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法。
背景技術
固態硬盤SSD系統中的DRAM主要用于數據緩存和固件程序運行,然而DRAM的漏電流大,需要不斷地刷新保證數據的正確性,產生的功耗大,并且突然掉電后導致數據丟失,由于非易失性存儲器(Non-Volatile Memory,NVM)功耗低,掉電后數據不丟失等優勢,現在越來越傾向于使用NVM取代SSD系統中的DRAM。
阻變存儲器(Resistive Random Access Memory,ReRAM)可擴展性好、讀寫速度快、存儲單元結構簡單、功耗低,ReRAM操作電流小,可以使用交叉陣列結構提高其存儲密度,而且與CMOS半導體技術相兼容,依據現有的芯片生產流程和制作工藝,可以很容易生產ReRAM,因此,ReRAM被認為是最具潛力的非易失性存儲器,并能取代固態硬盤SSD系統中的DRAM。
目前,ReRAM的壽命還不能達到日常使用需求,若在ReRAM同一個物理地址上頻繁更新數據會致使其磨損程度升高,從而發生數據存儲錯誤。損耗均衡是解決ReRAM中存在的這一問題而被廣泛采用的方法。然而,ReRAM緩存的操作以頁為單位,傳統上應用于閃存的損耗均衡方法在應用于ReRAM緩存時,需要記錄ReRAM緩存每個數據頁的寫 次數,導致空間損耗大,查詢ReRAM緩存數據頁寫次數信息時,導致時間開銷大。針對以上問題,科研學者提出了很多針對新型非易失性存儲器的損耗均衡方法,但仍存在如下問題:第一,沒有針對性的移動數據,一個周期后移動的數據其物理地址損耗可能并不大,這樣會帶來額外的耗費;第二,在數據移動過程中,可能將數據從一個損耗很大的物理地址中移動到另外一個損耗很大的物理地址中;第三,冷熱邏輯地址的鑒別準確度不高。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點,提供了一種應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法,方法能夠有效降低物理地址的耗費,同時冷熱邏輯地址的鑒別精度高。
為達到上述目的,本發明所述的應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法包括以下步驟:
由冷熱數據鑒別機制鑒別寫請求對應的邏輯地址中的熱邏輯地址,并根據一個時間周期內的所有熱邏輯地址構建熱數據鏈,再利用緩存管理策略為熱數據鏈中命中的寫請求對應的邏輯地址分配更新的數據結點,同時通過快速定位查找方法查詢熱數據鏈中命中的寫請求的邏輯地址在ReRAM緩存中對應的數據結點所在位置。
根據一個時間周期內的所有熱邏輯地址構建熱數據鏈的具體操作為:在每個時間周期結束后,將該時間周期內的所有熱邏輯地址構成一個熱數據鏈,再將熱數據鏈鏈接到循環隊列尾指針指向的結點后,并將尾指針指向下一個結點,同時按照循環隊列的原理管理每個時間周期產 生的熱數據鏈,然后除去循環隊列中的冗余熱邏輯地址。
除去循環隊列中的冗余熱邏輯地址的具體操作為:一個時間周期后遍歷查詢循環隊列中所有熱邏輯地址,判斷該時間周期產生的熱邏輯地址是否已經存在,若存在,則刪除熱數據鏈中查詢的熱邏輯地址,否則,則將該時間周期產生的熱邏輯地址作為熱數據鏈中的一員鏈接到循環隊列尾指針指向的結點后,當循環隊列已滿時,則在每個時間周期后刪除循環隊列首指針指向的結點的熱數據鏈,再去除該時間周期產生熱數據鏈中的冗余熱邏輯地址,然后再將該時間周期產生的熱數據鏈加入到循環隊列尾指針指向的結點后面,最后循環隊列尾指針指向下一個結點。
利用緩存管理策略為熱數據鏈中命中的寫請求對應的邏輯地址分配更新的數據結點的具體操作為:
查詢ReRAM緩存判斷寫請求是否命中,若未命中,則按照緩存管理策略分配一個ReRAM緩存結點給當前寫請求對應的邏輯地址,再將寫請求對應的邏輯地址存入到該ReRAM緩存內的結點中;若命中,則查詢熱數據鏈,當寫請求對應的邏輯地址在熱數據鏈中未命中時,則查詢寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的結點位置,然后在查找到的ReRAM緩存中的結點位置更新寫請求對應的邏輯地址;當寫請求對應的邏輯地址在熱數據鏈中命中時,則通過快速定位查找方法定位寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的結點位置,再采用緩存管理策略為本次寫請求對應的邏輯地址更新分配一個ReRAM緩存中的結點,然后將本次寫請求對應的邏輯地址更新到分配的ReRAM緩存中的結點處,并設置本次寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中對應的原結點 無效,完成數據交換操作。
通過快速定位查找方法查詢熱數據鏈中命中的寫請求的邏輯地址在ReRAM緩存中對應的數據結點所在位置的具體操作為:
采用哈希查找方法定位寫請求在ReRAM緩存中的位置,并通過鏈地址法處理哈希沖突,哈希表由一個指針數組和指針數組中的每個元素后鏈接的鏈表構成,鏈表結點的數據域包含寫請求對應的邏輯地址和存儲該寫請求對應的邏輯地址對應緩存物理地址的指針*rppn,鏈表結點的指針域包含指向下一個結點的指針*next,寫請求的邏輯地址在熱數據鏈中命中時,查詢哈希表定位寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的位置,然后更新寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的物理地址,完成數據交換操作,最后將寫請求對應的邏輯地址對應的新的物理地址更新到哈希表中;若寫請求對應的邏輯地址從熱數據鏈中刪除時,需要同時刪除哈希表中寫請求對應的邏輯地址所在的結點;若新的寫請求對應的邏輯地址插入到熱數據鏈中時,需要將寫請求對應的邏輯地址和其在ReRAM緩存中對應的物理地址作為一個新的結點增添到哈希表中。
本發明具有以下有益效果:
本發明所述的應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法在操作時,通過利用緩存管理策略根據數據交換決策機制判斷寫請求在ReRAM緩存中采用的更新策略,減少數據交換過程中對ReRAM緩存的寫操作次數,有效的降低物理地址的耗費,并且提高ReRAM緩存的使用壽命。同時采用高效的冷熱數據鑒別機制鑒別寫請求對應的邏輯地址中的熱邏輯地址,提高冷熱邏輯地址的鑒別精度,同時通過快速定位查 找方法查詢寫請求的邏輯地址在ReRAM緩存中對應的數據結點所在位置,避免遍歷整個ReRAM緩存而引起的時間開銷。
進一步,在冷熱邏輯地址的鑒別過程中,充分考慮了寫請求的頻率信息和最近使用信息,提高了冷熱邏輯地址鑒別的效率和準確度,將每個時間周期產生的熱邏輯地址組織形成熱數據鏈,采用循環隊列的方式管理熱數據鏈,并且有針對性的將熱數據鏈中存在的邏輯地址在ReRAM緩存中使用異地方式更新,不存在熱數據鏈中的邏輯地址使用本地方式更新,有效降低計算的復雜度和計算量,達到很好的損耗均衡效果。
進一步,采用緩存管理策略為本次寫請求對應的邏輯地址更新分配一個ReRAM緩存中的結點,使ReRAM緩存中的各結點損耗均衡,進而有效的提高ReRAM緩存的使用壽命。
附圖說明
圖1為本發明的結構框圖;
圖2為本發明中冷熱數據鑒別機制的原理圖;
圖3為本發明中冷熱數據鑒別機制的應用示意圖;
圖4為本發明中數據交換決策機制的示意圖;
圖5為本發明中快速定位查找方法的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述:
參考圖1,本發明所述的應用于固態硬盤阻變存儲器緩存的損耗均衡方法包括以下步驟:
由冷熱數據鑒別機制鑒別寫請求對應的邏輯地址中的熱邏輯地址, 并根據一個時間周期內的所有熱邏輯地址構建熱數據鏈,再利用緩存管理策略為熱數據鏈中命中的寫請求對應的邏輯地址分配更新的數據結點,同時通過快速定位查找方法查詢熱數據鏈中命中的寫請求的邏輯地址在ReRAM緩存中對應的數據結點所在位置。
參考圖3,根據一個時間周期內的所有熱邏輯地址構建熱數據鏈的具體操作為:在每個時間周期結束后,將該時間周期內的所有熱邏輯地址構成一個熱數據鏈,再將熱數據鏈鏈接到循環隊列尾指針指向的結點后,并將尾指針指向下一個結點,同時按照循環隊列的原理管理每個時間周期產生的熱數據鏈,然后除去循環隊列中的冗余熱邏輯地址。
除去循環隊列中的冗余熱邏輯地址的具體操作為:一個時間周期后遍歷查詢循環隊列中所有熱邏輯地址,判斷該時間周期產生的熱邏輯地址是否已經存在,若存在,則刪除熱數據鏈中查詢的熱邏輯地址,否則,則將該時間周期產生的熱邏輯地址作為熱數據鏈中的一員鏈接到循環隊列尾指針指向的結點后,當循環隊列已滿時,則在每個時間周期后刪除循環隊列首指針指向的結點的熱數據鏈,再去除該時間周期產生熱數據鏈中的冗余熱邏輯地址,然后再將該時間周期產生的熱數據鏈加入到循環隊列尾指針指向的結點后面,最后循環隊列尾指針指向下一個結點。
參考圖4,利用緩存管理策略為熱數據鏈中命中的寫請求對應的邏輯地址分配更新的數據結點的具體操作為:
查詢ReRAM緩存判斷寫請求是否命中,若未命中,則按照緩存管理策略分配一個ReRAM緩存結點給當前寫請求對應的邏輯地址,再將寫請求對應的邏輯地址存入到該ReRAM緩存內的結點中;若命中,則 查詢熱數據鏈,當寫請求對應的邏輯地址在熱數據鏈中未命中時,則通過快速定位查找方法迅速定位寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的結點位置,然后在查找到的ReRAM緩存中的結點位置更新寫請求對應的邏輯地址;當寫請求對應的邏輯地址在熱數據鏈中命中時,則通過快速定位查找方法定位寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的結點位置,再采用緩存管理策略為本次寫請求對應的邏輯地址更新分配一個ReRAM緩存中的結點,然后將本次寫請求對應的邏輯地址更新到分配的ReRAM緩存中的結點處,并設置本次寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中對應的原結點無效,完成數據交換操作。
參考圖5,通過快速定位查找方法查詢熱數據鏈中命中的寫請求的邏輯地址在ReRAM緩存中對應的數據結點所在位置的具體操作為:
采用哈希查找方法定位寫請求在ReRAM緩存中的位置,并通過鏈地址法處理哈希沖突,哈希表由一個指針數組和指針數組中的每個元素后鏈接的鏈表構成,鏈表結點的數據域包含寫請求對應的邏輯地址和存儲該寫請求對應的邏輯地址對應緩存物理地址的指針*rppn,鏈表結點的指針域包含指向下一個結點的指針*next,寫請求的邏輯地址在熱數據鏈中命中時,查詢哈希表定位寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的位置,然后更新寫請求對應的邏輯地址在ReRAM緩存中的物理地址,完成數據交換操作,最后將寫請求對應的邏輯地址對應的新的物理地址更新到哈希表中;若寫請求對應的邏輯地址從熱數據鏈中刪除時,需要同時刪除哈希表中寫請求對應的邏輯地址所在的結點;若新的寫請求對應的邏輯地址插入到熱數據鏈中時,需要將寫請求對應的邏輯地址和其 在ReRAM緩存中對應的物理地址作為一個新的結點增添到哈希表中。
參考圖2,冷熱數據鑒別機制結構采用V組獨立的布隆過濾器(Bloom Filter,BF)和K個哈希函數獲取每次寫請求對應的邏輯地址的頻率和最近使用信息,BF是一個M位的二進制向量數據結構,記錄K個哈希函數的值,寫請求對應的邏輯地址(Logic Page Number,LPN)在存入ReRAM緩存之前需要記錄在BF中。寫請求對應的邏輯地址經哈希函數計算后的輸出值在1到M之間,每個哈希函數的輸出值都與BF中的一位對應,然后將哈希函數的輸出值與BF對應的單個比特位置為1,于是BF中記錄了寫請求對應的邏輯地址的信息。當下一次寫請求到來時,冷熱數據鑒別機制采用輪流循環的方式選擇下一個BF作為記錄寫請求對應的邏輯地址的BF,并且在冷熱數據鑒別機制中以每個時間片為周期區分數據的冷熱程度,時間片為以寫請求的數目為一個時間周期。本發明使用了4組BF,每組BF大小為2048位,2個哈希函數,時間周期大小為512。
每個時間周期后,需要對其中一個BF清零,防止BF中記錄寫請求對應的邏輯地址信息溢出,造成冷熱數據鑒別錯誤,每個時間周期后選擇記錄歷史信息最多的BF作為需要清零的BF,將需要清零的BF中的所有數據位置為0,第一個時間周期后,隨機選擇一個BF作為清零BF,并將其recency值設置最小,清零后,BF的recency值設置最大,然后按照逆時針或者順時針方向,采用輪流循環的方式,每個時間周期后對下一個BF清零,并且recency權值的賦值與BF清零采取的方向一致,即總是將選擇清零的BF賦最小的recency權值,清零后的BF賦最大的 recency權值。
每個時間周期后,將記錄寫請求對應的邏輯地址歷史信息最多的BF清零之后,需要重新對所有BF賦recency權值,清零的BFV記錄最后一個時間周期內的寫請求對應的邏輯地址信息,BFV-1記錄最后兩個時間周期內的寫請求對應的邏輯地址信息,同理BF1記錄了V個時間周期內的寫請求對應的邏輯地址信息,因此BF1記錄的寫請求對應的邏輯地址信息最多,選擇BF1作為需要清零的BF,并將BF1賦最大的recency權值2,然后按照2/V的權值偏差逐次對下一個BF賦recency權值。例如,使用4組BF,即V=4,則權值偏差為2/4=0.5,對BF1賦最大的權值2之后,緊接著對BF4賦權值1.5,BF3賦權值1.0,BF2賦權值0.5,按照這樣的方式,一個時間周期后對所有的BF重新賦最新的recency權值。
每個時間周期中,在BF上的recency權值賦值完成之后,需要判定此次時間周期中的寫請求對應的邏輯地址的冷熱程度,通過寫請求對應的邏輯地址經哈希函數計算后的輸出值查詢BF,若2個哈希函數的輸出值查詢結果都為1,則記錄當前被查詢BF的recency權值,然后查詢下一個BF,直到4個BF全部查詢完成之后,將記錄的所有recency權值相加得Hot Index,如果Hot Index的值大于等于預設閾值HT,則判定寫請求對應的邏輯地址為熱邏輯地址,否則為冷邏輯地址,區分一個時間周期中剩余LPN冷熱程度,亦然,其中,優選的,設置閾值HT為5。

關 鍵 詞:
應用于 固態 硬盤 存儲器 緩存 損耗 均衡 方法
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