李明江 陳 仁

1(黔南民族師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院人工智能與大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)研究所 貴州 都勻 558000) 2(中科院上海技術(shù)物理研究所中國(guó)科學(xué)院紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200083)

0 引 言

近年來(lái)，由于基于閃存(主要是NAND Flash)的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備具有速度快、延時(shí)低、功耗低、抗震、體積小[1]等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是在消費(fèi)領(lǐng)域，企業(yè)數(shù)據(jù)中心，或是在移動(dòng)領(lǐng)域(如eMMC、UFS等)都得到了廣泛的使用。在存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)部，需要維護(hù)一張邏輯地址到閃存物理地址的映射表，該表大小約為存儲(chǔ)容量的千分之一。過(guò)去，固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備都配備相應(yīng)大小的DRAM來(lái)存放該映射表，設(shè)備在處理主機(jī)讀取命令時(shí)，通過(guò)訪問(wèn)DRAM快速獲取該數(shù)據(jù)塊在閃存的物理位置，從而能夠快速獲取用戶數(shù)據(jù)。但在一些固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備(如消費(fèi)級(jí)固態(tài)硬盤(pán)、移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備)中，出于成本和功耗考慮，沒(méi)有配備DRAM存儲(chǔ)映射表，有限的SRAM限制了無(wú)DRAM設(shè)備的隨機(jī)讀取性能，因?yàn)樵O(shè)備首先需要訪問(wèn)閃存以獲取映射關(guān)系，然后再根據(jù)該映射關(guān)系從閃存中讀取用戶數(shù)據(jù)。本文注意到現(xiàn)在的主機(jī)端DRAM資源充足，因此提出把設(shè)備端的映射表存放到主機(jī)端，采用主機(jī)和設(shè)備協(xié)作的方式，實(shí)現(xiàn)一種快速隨機(jī)讀取算法，來(lái)提升主機(jī)隨機(jī)讀取設(shè)備的性能。

1 FTL

SSD的存儲(chǔ)介質(zhì)一般是閃存，閃存有其自身的一些特點(diǎn)，如寫(xiě)前擦除、擦除/寫(xiě)入次數(shù)有限、讀取次數(shù)有限等。寫(xiě)前擦除特性不允許數(shù)據(jù)覆蓋更新，當(dāng)一個(gè)邏輯頁(yè)面被重寫(xiě)時(shí)，設(shè)備會(huì)分配一個(gè)新的可用閃存頁(yè)，將新的數(shù)據(jù)寫(xiě)入其中，并通過(guò)FTL(Flash Translation Layer)軟件層來(lái)維護(hù)邏輯頁(yè)到閃存頁(yè)的映射關(guān)系。管理邏輯地址到物理地址(Logical address To Physical address, L2P)的映射是FTL最基本的功能。除此之外，F(xiàn)TL還針對(duì)閃存特性，實(shí)現(xiàn)了其他算法，如垃圾回收(Garbage Collection)、磨損均衡(Wear Leveling)等算法。

圖1 FTL在固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中的位置和作用

在存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)部，F(xiàn)TL起著承上啟下的作用，其處理來(lái)自主機(jī)的讀寫(xiě)請(qǐng)求，然后把這些讀寫(xiě)請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成對(duì)閃存的訪問(wèn)請(qǐng)求。另外FTL實(shí)現(xiàn)了一些和閃存特性相關(guān)的算法，諸如垃圾回收、磨損均衡、讀干擾處理、數(shù)據(jù)保持處理等算法，來(lái)克服閃存的一些特性或者說(shuō)是缺點(diǎn)。FTL算法的好壞直接影響著固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的性能、可靠性等關(guān)鍵指標(biāo)。

FTL最原始和最基本的作用是管理邏輯地址(Logical Block Address，LBA)到物理地址(Physical Page Address，PPA)的映射，映射方案有塊映射(Block Mapping)、頁(yè)映射(Page Mapping)和混合映射(Hybrid Mapping)。塊映射的優(yōu)點(diǎn)是映射表小，占用存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)資源(RAM)少，但其最大缺點(diǎn)是隨機(jī)寫(xiě)入性能差；頁(yè)映射的優(yōu)點(diǎn)是性能好，缺點(diǎn)是映射表龐大，需占用很多RAM(一般為存儲(chǔ)容量的千分之一，即1 TB的存儲(chǔ)設(shè)備需要1 GB的內(nèi)存來(lái)存放映射表)?；旌嫌成鋭t是介于兩者之間的一種映射算法，典型的混合映射算法有BAST[2]、FAST[3]、LAST[4]、SuperBlock FTL[5]等。由于頁(yè)映射性能好的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在業(yè)界主流固態(tài)硬盤(pán)的映射算法采用頁(yè)映射方案。

2 DFTL

基于頁(yè)映射的FTL具有好的讀寫(xiě)性能，但是其映射表龐大，對(duì)性能要求高的固態(tài)硬盤(pán)，一般都配有大容量的DRAM來(lái)存放映射表。對(duì)讀寫(xiě)I/O來(lái)說(shuō)，由于整個(gè)映射表都存儲(chǔ)在DRAM中，固件可以快速地獲取讀寫(xiě)所需的映射關(guān)系，讀取或者更新映射關(guān)系都很迅速(只需訪問(wèn)DRAM)，因此其讀寫(xiě)性能很好。

然而在一些對(duì)成本或功耗很敏感的固態(tài)硬盤(pán)中，存儲(chǔ)設(shè)備沒(méi)有DRAM，只配有少量的SRAM。如何在無(wú)DRAM的固態(tài)硬盤(pán)中實(shí)現(xiàn)頁(yè)映射的FTL，國(guó)內(nèi)外有很多研究。

Gupta等[6]注意到主機(jī)訪問(wèn)設(shè)備的時(shí)間局部性(temporal locality)，提出了DFTL。其基本思想是把整個(gè)映射表按頁(yè)管理，全局翻譯目錄(Global Translation Directory, GTD)用以存儲(chǔ)這些映射頁(yè)在閃存中的物理地址，而映射頁(yè)按需加載到緩存中(Cached Mapping Table, CMT)。對(duì)讀寫(xiě)I/O來(lái)說(shuō)，它首先在CMT中查找映射關(guān)系，如果命中緩存，則直接根據(jù)該映射關(guān)系讀取閃存獲得用戶數(shù)據(jù)；如果沒(méi)有命中緩存，則查找GTD，找到所需映射頁(yè)的物理地址，然后從閃存中讀取映射頁(yè)到緩存中，最后固件根據(jù)該映射關(guān)系獲得用戶數(shù)據(jù)。

DFTL的順序讀取性能很好，因?yàn)橐粋€(gè)映射頁(yè)加載到緩存中后，對(duì)接下來(lái)的很多筆讀取，都能發(fā)生緩存命中，無(wú)須訪問(wèn)閃存便能獲得該邏輯地址對(duì)應(yīng)的物理地址。但對(duì)隨機(jī)讀取來(lái)說(shuō)，因?yàn)轫?yè)緩存大小有限，對(duì)每筆讀取來(lái)說(shuō)，發(fā)生映射頁(yè)緩存的概率很小，因此很多時(shí)候它都需要訪問(wèn)兩次閃存才能最終獲得用戶數(shù)據(jù)。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)128 GB的固態(tài)硬盤(pán)，整個(gè)映射表大小為128 MB，由于SRAM大小受限，映射頁(yè)緩存大小可能只有512 KB，因此發(fā)生頁(yè)映射緩存命中的概率不到1%，意味著99%的讀命令需要訪問(wèn)兩次閃存才能獲得數(shù)據(jù)。

為在有限的頁(yè)緩存條件下提高緩存的命中率，在DFTL的基礎(chǔ)上，Wei等[7]提出WAFTL,其思想是根據(jù)主機(jī)的讀寫(xiě)負(fù)荷，對(duì)順序?qū)懭氲臄?shù)據(jù)，采用塊映射，而對(duì)隨機(jī)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，采用頁(yè)映射。這種方式能減小整個(gè)映射表大小，對(duì)同樣大小的映射頁(yè)緩存，緩存命中率會(huì)有一定的提升。

DFTL利用了主機(jī)訪問(wèn)設(shè)備的時(shí)間局部性，Xu等[8]同時(shí)注意到主機(jī)訪問(wèn)設(shè)備的空間局部性，提出了CAST FTL，其基本思想是壓縮順序?qū)懭氲臄?shù)據(jù)的映射表，達(dá)到減小映射表大小的目的，從而提升頁(yè)映射緩存命中率。

WAFTL和CAST對(duì)順序?qū)懭氲臄?shù)據(jù)，能提升讀取速度，但是如果數(shù)據(jù)本來(lái)就是隨機(jī)寫(xiě)入的，則隨機(jī)性能并不能得到提升。

無(wú)論是DFTL還是CAST和WAFTL，其讀取性能，尤其是隨機(jī)讀取性能，都不如帶DRAM 的固態(tài)硬盤(pán)，因?yàn)閹RAM的固態(tài)硬盤(pán)只需訪問(wèn)一次閃存便能獲得用戶數(shù)據(jù)，而不帶DRAM的固態(tài)硬盤(pán)在大多數(shù)時(shí)候都是需要訪問(wèn)兩次閃存的(第一次訪問(wèn)閃存獲得映射關(guān)系，第二次讀取閃存獲得用戶數(shù)據(jù))。

3 新的固態(tài)存儲(chǔ)架構(gòu)

自帶DRAM的存儲(chǔ)設(shè)備的性能好，但是成本和功耗高；不帶DRAM的存儲(chǔ)設(shè)備的成本和功耗低，但是性能不足。無(wú)論DFTL、WAFTL或CAST FTL，都沒(méi)有從根本上解決無(wú)DRAM固態(tài)硬盤(pán)隨機(jī)讀取性能差的問(wèn)題。

本文注意到當(dāng)前主流的主機(jī)設(shè)備DRAM豐富，無(wú)論是臺(tái)式機(jī)，還是移動(dòng)設(shè)備，內(nèi)存資源充足，因此提出了一種新的映射表存儲(chǔ)架構(gòu)，如圖2所示。利用主機(jī)端的內(nèi)存資源，把映射關(guān)系存放到主機(jī)端，通過(guò)主機(jī)和設(shè)備協(xié)作的方式來(lái)提升不帶DRAM的存儲(chǔ)設(shè)備的隨機(jī)讀取性能，解決了存儲(chǔ)設(shè)備性能和成本、功耗之間的矛盾。

圖2 映射表存儲(chǔ)在主機(jī)端的存儲(chǔ)架構(gòu)

在這個(gè)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種改善隨機(jī)存儲(chǔ)性能的算法，稱為快速隨機(jī)讀取算法(Fast Random Read Algorithm，F(xiàn)RRA)。該算法只需更改主機(jī)端驅(qū)動(dòng)和設(shè)備端固件算法，無(wú)須修改硬件，只需犧牲主機(jī)端部分內(nèi)存來(lái)?yè)Q取快速的隨機(jī)讀取性能。

4 快速隨機(jī)讀取算法(FRRA)設(shè)計(jì)

4.1 相關(guān)定義

映射條目(Mapping Entry，ME)：每個(gè)LBA在閃存中的物理地址，一般為4字節(jié)大小。

映射頁(yè)(Mapping Page，MP)：若干個(gè)連續(xù)LBA在閃存中的物理地址集合，如連續(xù)1 024個(gè)LBA的映射關(guān)系集合，則映射頁(yè)大小為4 KB。它是設(shè)備管理映射數(shù)據(jù)的基本單位。本文假設(shè)映射頁(yè)大小為4 KB。

全局映射表(Global Mapping Table，GMT)：整個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備邏輯空間的映射集合。如一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備容量為128 GB，一共128 GB/4 KB=32 M個(gè)LBA，每個(gè)LBA的物理地址為4字節(jié)，則全局映射表大小為32 M×4 B=128 MB。

主機(jī)端映射緩存空間(Host Mapping Cache,H_MC)：主機(jī)端分配的內(nèi)存空間，專門(mén)用以緩存映射頁(yè)。其大小取決于存儲(chǔ)設(shè)備大小和主機(jī)端可用的內(nèi)存空間。它可以存儲(chǔ)整個(gè)全局映射表，也可以緩存部分映射表。

主機(jī)端緩存映射頁(yè)(Host Caching Mapping Page,H_CMP)：緩存在主機(jī)端的映射頁(yè)。

主機(jī)端緩存映射位圖(Host Caching Mapping Bitmap,H_CMB)：主機(jī)端的一個(gè)位圖，每個(gè)LBA對(duì)應(yīng)一個(gè)比特，0表示該LBA的映射關(guān)系不在主機(jī)端映射緩存空間，或者在映射緩存空間的物理地址不是最新的；1表示該LBA的映射關(guān)系在主機(jī)端映射緩存空間并是最新的。比如存儲(chǔ)設(shè)備容量為128 GB，一共128 GB/4 KB=32 M個(gè)LBA，每個(gè)LBA占用1個(gè)比特，主機(jī)端總共需要32 MB/8=4 MB空間存儲(chǔ)該位圖。

主機(jī)端緩存映射頁(yè)有效數(shù)據(jù)表(Host Caching Mapping Page Valid Count，H_PVC)：主機(jī)端對(duì)每個(gè)緩存映射頁(yè)，都記錄了該映射頁(yè)的有效映射條目的個(gè)數(shù)。當(dāng)某個(gè)映射頁(yè)加載到主機(jī)端映射緩存空間時(shí)，有效映射條目為1 024個(gè)，如果其中某個(gè)LBA之后被寫(xiě)過(guò)，則有效條目減1。當(dāng)某個(gè)緩存映射頁(yè)的有效條目數(shù)減少到一定閾值的時(shí)候，主機(jī)應(yīng)該從設(shè)備重新加載該緩存映射頁(yè)。

設(shè)備端緩存映射位圖(Device Caching Mapping Bitmap,D_CMB)：設(shè)備端的一個(gè)位圖，每個(gè)映射頁(yè)對(duì)應(yīng)一個(gè)比特，0表示該映射頁(yè)中至少有一個(gè)LBA對(duì)應(yīng)的物理地址是過(guò)時(shí)的，或者是無(wú)效的；1表示該映射頁(yè)中所有的LBA對(duì)應(yīng)的物理地址都是最新的。

2個(gè)定制的主機(jī)命令如下：

1)讀映射表命令(Read Mapping Table Command，RMTC)。主機(jī)通過(guò)RMTC加載映射表到主機(jī)映射緩存。RMTC中有兩個(gè)參數(shù)：起始LBA和結(jié)束LBA，LBA為1 024的整數(shù)倍。

2)快速隨機(jī)讀命令(Fast Random Read Command,FRRC)。主機(jī)通過(guò)FRRC命令讀取映射關(guān)系在主機(jī)映射緩存中的4 KB數(shù)據(jù)。FRRC命令中不僅帶有LBA的信息，同時(shí)還帶有該LBA對(duì)應(yīng)的物理地址信息。

4.2 初始化

設(shè)備上電時(shí)，主機(jī)通過(guò)RMTC命令加載全部或者部分映射頁(yè)到主機(jī)緩存空間。圖3為以128 GB存儲(chǔ)設(shè)備為例，主機(jī)加載全部128 MB映射關(guān)系到主機(jī)緩存空間。

圖3 用RMTC命令加載128 MB映射表的例子

主機(jī)端：當(dāng)128 MB映射數(shù)據(jù)加載到映射緩存空間后，初始化H_CMB為全1，即所有LBA的映射關(guān)系都是有效的，同時(shí)還需初始化所有H_PVC為1 024。

設(shè)備端：設(shè)備端接收到RMTC命令后，把所需的映射關(guān)系從閃存中讀出，然后返回給主機(jī)，并初始化D_CMB為全1，即所有的映射頁(yè)都是有效的。

4.3 主機(jī)讀取操作

當(dāng)主機(jī)需要讀取一個(gè)LBA(4 KB)數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)查詢H_CMB，如果對(duì)應(yīng)的比特為1，則向設(shè)備發(fā)送FRRC，即快速隨機(jī)讀命令；否則只發(fā)送普通的4 KB讀命令，如圖4所示。

圖4 主機(jī)根據(jù)H_CMB發(fā)送不同的讀取命令

設(shè)備接收到的如果是普通的4 KB讀命令，則先做地址翻譯，即查詢?cè)揕BA對(duì)應(yīng)的物理地址，根據(jù)該物理地址從閃存中讀取數(shù)據(jù)，然后返回給主機(jī)。由于設(shè)備內(nèi)部緩存空間有限，所以該LBA對(duì)應(yīng)的映射頁(yè)很大概率不在緩存中，所以對(duì)每次讀，大概率需要先從閃存中加載映射頁(yè)，然后再根據(jù)映射頁(yè)得到的物理地址，從閃存中獲得主機(jī)所需的用戶數(shù)據(jù)，即一次普通的4 KB隨機(jī)讀，需要訪問(wèn)兩次閃存。

如果設(shè)備接收到的是FRRC，即快速隨機(jī)讀命令，其不僅帶有LBA信息，還帶有該LBA對(duì)應(yīng)的物理地址，相當(dāng)于主機(jī)已經(jīng)幫設(shè)備做好LBA的翻譯工作，則設(shè)備可以根據(jù)該物理地址直接從閃存中讀取數(shù)據(jù)，大大改善了隨機(jī)讀的速度。

但由于設(shè)備內(nèi)部存在垃圾回收算法，用戶數(shù)據(jù)會(huì)從一個(gè)物理閃存塊搬到另外一個(gè)物理閃存塊，因此設(shè)備接收到FRRC之前，還需要檢驗(yàn)該物理地址是否有效。設(shè)備通過(guò)查詢D_CMB，如果該LBA所在的映射頁(yè)對(duì)應(yīng)的比特為0，表明該映射頁(yè)中至少有一個(gè)LBA被內(nèi)部垃圾回收搬走，由于不確定是否為該LBA，因此設(shè)備簡(jiǎn)單地認(rèn)為FRRC中的物理地址是無(wú)效的，所以設(shè)備需要自己重新做LBA地址翻譯，行為和處理普通讀命令一樣；如果查詢?cè)揕BA所在的映射頁(yè)對(duì)應(yīng)的比特為1，則表明FRRC的物理地址是有效的，設(shè)備可以直接拿它來(lái)獲取用戶數(shù)據(jù)。圖5為設(shè)備端處理命令的流程圖。

圖5 設(shè)備端處理讀命令

4.4 主機(jī)寫(xiě)入操作

主機(jī)寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)備會(huì)把這些數(shù)據(jù)寫(xiě)到空閑的閃存空間。如果這些數(shù)據(jù)的映射關(guān)系緩存在主機(jī)內(nèi)存，由于設(shè)備把這些數(shù)據(jù)寫(xiě)到新的地方，主機(jī)緩存的映射關(guān)系變成無(wú)效的(或者過(guò)時(shí)的)，主機(jī)清除H_CMB相應(yīng)的比特。主機(jī)在讀取的時(shí)候，不再使用該映射關(guān)系來(lái)發(fā)送FRRC。同時(shí)，如果某個(gè)LBA被主機(jī)寫(xiě)入，該LBA對(duì)應(yīng)的映射頁(yè)有效數(shù)據(jù)H_PVC應(yīng)該減1。當(dāng)某個(gè)映射頁(yè)的H_PVC減到一定閾值，即該緩存映射頁(yè)絕大多數(shù)映射關(guān)系都是無(wú)效時(shí)，主機(jī)在空閑的時(shí)候，應(yīng)該再次從設(shè)備加載最新的映射關(guān)系。主機(jī)端處理寫(xiě)操作如圖6所示。

圖6 主機(jī)端處理寫(xiě)操作

4.5 垃圾回收寫(xiě)入操作

基于閃存的存儲(chǔ)設(shè)備，內(nèi)部需要垃圾回收來(lái)釋放閃存空間。垃圾回收會(huì)把用戶有效數(shù)據(jù)從一個(gè)物理塊重寫(xiě)到另外一個(gè)物理塊，用戶數(shù)據(jù)映射關(guān)系會(huì)在主機(jī)沒(méi)有感知下發(fā)生變化，即緩存在主機(jī)端的映射頁(yè)除了因?yàn)橹鳈C(jī)寫(xiě)之外，垃圾回收也會(huì)導(dǎo)致主機(jī)端緩存的映射關(guān)系無(wú)效。

垃圾回收重寫(xiě)應(yīng)該更新設(shè)備端的D_CMB，具體來(lái)說(shuō)，某個(gè)LBA被垃圾回收重寫(xiě)，如果其對(duì)應(yīng)的映射頁(yè)緩存在主機(jī)端，則把該映射頁(yè)對(duì)應(yīng)的D_CMB比特清零，該過(guò)程如圖7所示。設(shè)備在接收到FRRC命令時(shí)，根據(jù)LBA對(duì)應(yīng)的映射頁(yè)查詢D_CMB。如果對(duì)應(yīng)的比特為0，則FRRC中的物理地址不可信，需要重寫(xiě)做LBA地址翻譯；如果對(duì)應(yīng)的比特為1，則FRRC中的物理地址是有效的，設(shè)備無(wú)需LBA地址翻譯。

圖7 垃圾回收操作需清除D_CMB相應(yīng)比特

4.6 重新加載映射頁(yè)到主機(jī)緩存

隨著主機(jī)端數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，緩存的映射頁(yè)很多映射關(guān)系會(huì)無(wú)效，主機(jī)在寫(xiě)入時(shí)會(huì)登記哪些映射頁(yè)需要重寫(xiě)加載以提升FRRC命令占的比例。當(dāng)主機(jī)空閑時(shí)，主機(jī)可以發(fā)送RMTC命令給設(shè)備，讓設(shè)備重新上傳最新的映射頁(yè)。

另外，垃圾回收也會(huì)導(dǎo)致緩沖頁(yè)無(wú)效，它也會(huì)在做垃圾回收的時(shí)候登記哪些映射頁(yè)需要重新加載。主機(jī)在空閑的時(shí)候，可以查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)，獲取這些登記信息，然后發(fā)送相應(yīng)的RMTC命令重新加載映射頁(yè)到主機(jī)緩存。加載新的映射頁(yè)到主機(jī)緩存，需要更新相應(yīng)的H_CMB、D_CMB和H_PVC。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文使用FlashSIM[9]仿真軟件來(lái)測(cè)試FRRA算法性能。FlashSIM是一款開(kāi)源的SSD模擬器，也是一款事件驅(qū)動(dòng)的、模塊化的基于C++的模擬器，內(nèi)置了多種FTL策略，能夠提供響應(yīng)時(shí)間、能耗的模擬和許多額外的統(tǒng)計(jì)信息。本文在模擬器上實(shí)現(xiàn)了FRRA算法，同時(shí)通過(guò)修改主機(jī)端驅(qū)動(dòng)程序來(lái)支持FRRA。

設(shè)備端：本文使用FlashSIM模擬128 GB存儲(chǔ)設(shè)備，該存儲(chǔ)設(shè)備由4個(gè)32 GB的Flash組成，每個(gè)通道上掛一個(gè)Die。表1為存儲(chǔ)設(shè)備的配置信息。

表1 存儲(chǔ)設(shè)備配置

本文使用DFTL算法，在此基礎(chǔ)上增加了對(duì)RMTC和FRRC兩個(gè)定制命令的處理，以及相應(yīng)的FRRA算法實(shí)現(xiàn)。

主機(jī)端：分配128 MB內(nèi)存，可以容納全部的128 GB容量對(duì)應(yīng)的映射頁(yè)數(shù)據(jù)。增加了兩個(gè)RMTC和FRRC命令，分別用以加載映射頁(yè)到緩存和發(fā)送快速隨機(jī)讀取命令。

測(cè)試步驟：1)順序?qū)憹M盤(pán)，測(cè)試帶DRAM SSD的4 KB隨機(jī)讀取性能，以及不帶DRAM SSD不同算法下的4 KB隨機(jī)讀取性能；2)隨機(jī)寫(xiě)滿盤(pán)，測(cè)試帶DRAM SSD的4 KB隨機(jī)讀取性能，以及不帶DRAM SSD不同算法下的4 KB隨機(jī)讀取性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比：

1)順序填滿盤(pán)后的4 KB隨機(jī)讀取性能對(duì)比如圖8所示。

圖8 順序填盤(pán)后4 KB隨機(jī)讀取性能對(duì)比

2)隨機(jī)填滿盤(pán)后的4 KB隨機(jī)讀取性能對(duì)比如圖9所示。

圖9 隨機(jī)填盤(pán)后4 KB隨機(jī)讀取性能對(duì)比

順序填盤(pán)后，由于CAST和WAFTL能針對(duì)順序?qū)懽鰞?yōu)化(減小映射表大小)，因此它比DFTL的4 KB隨機(jī)讀取性能好，但是如果是隨機(jī)數(shù)據(jù)填盤(pán)，WAFTL和CAST并沒(méi)有體現(xiàn)出性能優(yōu)勢(shì)?？梢钥闯觯弥鳈C(jī)端DRAM存儲(chǔ)映射表的FRR算法，與帶DRAM的SSD具有差不多的性能，其性能幾乎為DFTL性能的兩倍，因?yàn)樗鼈冊(cè)L問(wèn)一次閃存便能獲得用戶數(shù)據(jù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)論是DFTL、CAST FTL和WAFTL等基于頁(yè)映射的FTL算法，都不能從根本上解決不帶DRAM的固態(tài)硬盤(pán)隨機(jī)讀取性能差的問(wèn)題。FRRA通過(guò)利用主機(jī)端充足的DRAM資源來(lái)存儲(chǔ)設(shè)備的映射表，使用主機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備協(xié)同合作的方式，主機(jī)讀取命令中不僅攜帶了邏輯塊地址，還包括該數(shù)據(jù)塊在閃存中的物理地址，因此設(shè)備端省去了邏輯地址到物理地址的翻譯工作。故FRRA能顯著改善不帶DRAM的存儲(chǔ)設(shè)備的隨機(jī)讀取性能，并且其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只需軟件層面的修改，無(wú)須改動(dòng)硬件和修改接口協(xié)議。同時(shí)，它也不受當(dāng)前協(xié)議限制，可以在當(dāng)前幾乎所有的接口協(xié)議上實(shí)現(xiàn)，比如PCIe、SATA、UFS和eMMC等。