專利名稱：一種瓦記錄磁盤的四級編址方法
一種瓦記錄磁盤的四級編址方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)存儲技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種瓦記錄磁盤的四級編址方法。
技術(shù)背景
互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展、社會的數(shù)字化變革，導(dǎo)致了數(shù)字化的數(shù)據(jù)呈爆炸式增長。根據(jù) 市場分析公司IDC和存儲設(shè)備公司EMC的統(tǒng)計，2006年全球數(shù)據(jù)內(nèi)容總量為161EB，2007年 為281EB,2008年為487EB,2011年達(dá)到了驚人的1800EB。數(shù)據(jù)總量從2006年到2011年增 長了 11倍多，以每年61%的速度指數(shù)增長。IDC預(yù)測在未來10年文件總量會增長75倍。 爆炸式的信息增長必然導(dǎo)致對存儲容量的需求大幅增長。與此同時，存儲需求持續(xù)飛速增 長對我們提出了一個重要的挑戰(zhàn)和機(jī)遇在維持相同生產(chǎn)成本的條件下，如何進(jìn)一步提高 單個數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的容量來滿足強(qiáng)大的市場需求。磁盤作為主導(dǎo)存儲設(shè)備，如何在不增加 生產(chǎn)成本的條件下進(jìn)一步提高磁記錄密度是當(dāng)前具有重要理論和商業(yè)意義的研究課題。
雖然單個磁盤存儲容量過去以每年30 - 50%的速度增加，其增長速度正在急劇放 緩，主要原因是記錄技術(shù)、制造工藝和記錄材料等方面都遇到了技術(shù)的瓶頸難題。即使采用 先進(jìn)的垂直磁記錄，磁盤存儲密度也僅為500GB/in2 ;而且，垂直磁記錄將接近由超順磁效 應(yīng)限定理論值lTB/in2，因此提高空間和速度受到限制。
瓦記錄方式被認(rèn)為是目前最有可能突破lTB/in2的磁記錄技術(shù)，目前模擬的存儲 密度可以達(dá)到3TB/in2。瓦記錄的原理主要是利用部分重疊磁道的記錄方式提高磁記錄密 度，類似屋頂上的瓦片那樣重疊互扣，其實(shí)質(zhì)上是通過縮短磁道寬度的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高 密度記錄。由于磁道變窄使得磁記錄介質(zhì)將變小，對磁頭的靈敏度要求提高。重疊磁道和 高靈敏度磁頭，相對于其他記錄技術(shù)，在硬件上比較容易實(shí)現(xiàn)。但是，其主要問題就是隨機(jī) 寫速度很慢。因?yàn)橥哂涗浲ㄟ^部分重疊相鄰磁道而使記錄信息的磁道變窄，如圖1所示，當(dāng) 單個磁道上的數(shù)據(jù)被更新時，相鄰連續(xù)磁道上的數(shù)據(jù)也必須重新擦寫一遍以防止由于磁頭 寫操作過程中對鄰近磁道磁化擦除造成數(shù)據(jù)丟失。如果成功將瓦記錄應(yīng)用到磁盤上，磁盤 容量將有望提高2. 3-10陪，將對磁盤存儲技術(shù)產(chǎn)生重大的意義和影響。
當(dāng)前瓦記錄存儲技術(shù)存在以下缺陷
1.需要管理大量的元數(shù)據(jù)因?yàn)橥哂涗洿嬖趯憯?shù)據(jù)覆蓋，數(shù)據(jù)經(jīng)常不能夠直接寫 到原來的位置，該方式類似SSD，需要映射表等元數(shù)據(jù)管理，一般需要幾GB的元數(shù)據(jù)量，隨 著磁盤容量的增大，這些元數(shù)據(jù)信息也會越來越大。而在有限的內(nèi)存情況下，這些元數(shù)據(jù)如 何存儲，對這些數(shù)據(jù)的讀寫性能也存在較大的影響。
2.瓦記錄磁盤空間利用率問題目前大多數(shù)的研究都是基于區(qū)的分布方式，即一 個區(qū)由若干個瓦記錄磁道構(gòu)成，區(qū)與區(qū)之間需要間隙，這種間隙的存在導(dǎo)致大約10%的空 間浪費(fèi)；另外，區(qū)內(nèi)采用循環(huán)日志方式，循環(huán)日志的頭尾也需要幾個磁道的間隙，才能夠確 保有效數(shù)據(jù)不被覆蓋；最后，采用日志方式，需要一定的冗余空間，才能夠進(jìn)行有效的垃圾 回收。
3.瓦記錄磁盤的寫放大問題傳統(tǒng)基于磁道的編址便于發(fā)揮磁盤順序訪問的性能優(yōu)勢，但在瓦記錄磁盤中，寫數(shù)據(jù)會覆蓋相鄰幾個磁道的數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)的編址，覆蓋的 數(shù)據(jù)就在邏輯地址上是分散的，為了確保數(shù)據(jù)不丟失，目前采用循環(huán)日志的方法將相鄰幾 個磁道上的數(shù)據(jù)都遷移到其它位置，然后再寫入數(shù)據(jù)，這樣導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)遷移。這些多次 的讀寫操作，不但增加了讀寫數(shù)據(jù)量，還導(dǎo)致磁頭在不同地方來回移動，間接地影響了隨機(jī) 寫性能，導(dǎo)致性能成倍下降。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種瓦記錄磁盤的四級編址方法， 其針對瓦記錄磁盤隨機(jī)寫限制，對瓦記錄磁盤的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和磁道布局進(jìn)行優(yōu)化，并且結(jié)合 閃存和內(nèi)存的讀寫速度快優(yōu)勢，組成三級架構(gòu)的瓦記錄磁盤系統(tǒng)，來解決傳統(tǒng)瓦記錄磁盤 的隨機(jī)寫性能差的問題，使其在倍增磁盤可用容量的同時，避免性能的下降，并提高讀寫速度。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種瓦記錄磁盤的四級編址方法，包括以下步 驟
(I)將瓦記錄磁盤的邏輯空間劃分為“區(qū)-段-塊-扇區(qū)”的四級結(jié)構(gòu)；
(2)采用徑向編址的方式對劃分后的四級結(jié)構(gòu)進(jìn)行編址；
(3)采用對稱堆疊式的磁道布局對編址后的四級結(jié)構(gòu)的區(qū)間間隔進(jìn)行優(yōu)化；
(4)對編址后的四級結(jié)構(gòu)的瓦記錄磁盤進(jìn)行讀寫操作，具體包括以下子步驟
(4-1)接收來自上層文件系統(tǒng)的讀寫請求，根據(jù)讀寫請求的邏輯地址進(jìn)行地址映 射，以得到該請求對應(yīng)的區(qū)號、段號和塊號，并判斷該讀寫請求是讀請求還是寫請求，如果 是讀請求進(jìn)入步驟(4-2 )，否則進(jìn)入步驟(4-7 );
(4-2)判斷內(nèi)存中是否緩存了該讀請求對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，若存在，則進(jìn)入步驟(4-3)， 否則進(jìn)入步驟(4-4)；
(4-3)從內(nèi)存中讀取該數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層文件系統(tǒng)，過程結(jié)束；
(4-4)判斷SSD中是否緩存了該數(shù)據(jù)塊，若存在，則進(jìn)入步驟(4-5)，否則進(jìn)入步驟 (4-6)；
(4-5)從SSD中讀取該數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層文件系統(tǒng)，過程結(jié)束；
(4-6)從瓦記錄磁盤中讀取該數(shù)據(jù)塊，將該數(shù)據(jù)塊緩存在SSD中，并將該數(shù)據(jù)塊返 回給上層文件系統(tǒng)，過程結(jié)束；
(4-7)判斷內(nèi)存中是否緩存了該寫請求對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，若不存在，則進(jìn)入步驟 (4-8)，否則進(jìn)入步驟(4-12)；
(4-8)判斷SSD中是否緩存了該數(shù)據(jù)塊，若不存在，則進(jìn)入步驟(4_9)，否則進(jìn)入步 驟(4-10)；
(4-9)從瓦記錄磁盤中讀取該數(shù)據(jù)塊，進(jìn)入步驟(4-11)；
(4-10)從SSD中讀取該數(shù)據(jù)塊，同時將SSD中的該數(shù)據(jù)塊置為無效；
(4-11)將該數(shù)據(jù)塊修改后寫入內(nèi)存，過程結(jié)束；
(4-12)寫內(nèi)存，修改該數(shù)據(jù)塊，過程結(jié)束。
步驟(I)具體為，將多個連續(xù)的磁道組織在一起，構(gòu)成一個區(qū)，區(qū)再劃分為多個段， 一個段包含多個塊，一個塊由多個連續(xù)的扇區(qū)組成，由此構(gòu)成“區(qū)-段-塊-扇區(qū)”的四級劃分結(jié)構(gòu)。
步驟(4-6)包括以下子步驟
(4-6-1)從瓦記錄磁盤中讀取該數(shù)據(jù)塊，在SSD中查找是否有空閑的數(shù)據(jù)塊，若 有，則進(jìn)入步驟(4-6-2 )，否則進(jìn)入步驟(4-6-3 )；
(4-6-2)將該數(shù)據(jù)塊寫入SSD中空閑的數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層文件系 統(tǒng)，過程結(jié)束；
(4-6-3)替換掉SSD中的數(shù)據(jù)塊，以提供空閑的數(shù)據(jù)塊，具體而言，SSD中保存的是 瓦記錄磁盤中數(shù)據(jù)塊的副本，使用LRU算法替換掉最久未使用的數(shù)據(jù)塊；
(4-6-4)將該數(shù)據(jù)塊寫到空閑的數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層的文件系統(tǒng)，過 程結(jié)束。
步驟(4-11)包括以下子步驟
(4-11-1)修改該數(shù)據(jù)塊，在內(nèi)存中查找是否有空閑的數(shù)據(jù)塊，若有，則進(jìn)入步驟 (4-11-2)，否則進(jìn)入步驟(4-11-3)；
(4-11-2)將修改后的數(shù)據(jù)塊寫入內(nèi)存中空閑的數(shù)據(jù)塊，過程結(jié)束；
(4-11-3)替換掉內(nèi)存中部分臟數(shù)據(jù)塊，以提供空閑的數(shù)據(jù)塊
(4-11-4)將臟數(shù)據(jù)塊寫回瓦記錄磁盤；具體而言，采用基于“段”的倒盤方式，將寫 磁盤時會影響的磁道數(shù)據(jù)塊讀出來，結(jié)合要寫入的數(shù)據(jù)塊，順序?qū)懭肽硞€段中。這樣將多個 隨機(jī)寫合并成一個順序?qū)?，一次性寫入一個段的多個塊，減少寫磁盤操作造成的數(shù)據(jù)移動 量和重寫量。
(4-11-5)將修改后的數(shù)據(jù)塊寫入空閑的數(shù)據(jù)塊，過程結(jié)束。
步驟(4-11-4)具體為，采用基于“段”的倒盤方式，將寫磁盤時會影響的磁道數(shù)據(jù) 塊讀出來，結(jié)合要寫入的數(shù)據(jù)塊，順序?qū)懭肽硞€段中。這樣將多個隨機(jī)寫合并成一個順序 寫，一次性寫入一個段的多個塊，以減少寫磁盤操作造成的數(shù)據(jù)移動量和重寫量。
通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的有益效 果
1.避免了大量元數(shù)據(jù)的管理和存儲問題由于采用了步驟(1)，所以物理地址可 以由邏輯地址計算所得，從而不需要各種映射表等元數(shù)據(jù)，也就沒有大量元數(shù)據(jù)帶來的存 儲與管理的問題。
2.提高了瓦記錄磁盤的空間利用率由于采用了步驟(1)，段內(nèi)采用地址直接定 位，不需要循環(huán)日志方式的區(qū)內(nèi)間隔和垃圾回收所需要的冗余空間，因此可以大幅提高瓦 記錄磁盤的存儲密度。由于采用了步驟(3)，減少了一半的區(qū)間間隔開銷，提高了瓦記錄磁 盤的空間利用率。
3.減少了“寫放大”問題由于采用了步驟(I) (2)，連續(xù)數(shù)據(jù)按照磁道覆蓋的方 向進(jìn)行寫操作，邏輯地址段內(nèi)是連續(xù)的，充分利用數(shù)據(jù)的空間局部性，減少了寫操作的數(shù)據(jù) 覆蓋量及寫放大系數(shù)。
4.提高了瓦記錄磁盤的讀寫性能由于采用了步驟(4)，多數(shù)請求在緩沖區(qū)中命 中，與傳統(tǒng)的瓦記錄磁盤相比，提高了瓦記錄磁盤的讀寫性能。


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圖1是現(xiàn)有技術(shù)瓦記錄磁盤的寫覆蓋示意圖。2是本發(fā)明方法中步驟(I)的示意圖。3示出本發(fā)明方法中徑向編址方式與現(xiàn)有技術(shù)編址方式的比較。4是現(xiàn)有技術(shù)瓦記錄磁盤的磁道布局。5是本發(fā)明方法中的對稱堆疊式布局。6是本發(fā)明瓦記錄磁盤系統(tǒng)的架構(gòu)圖。7是本發(fā)明方法中步驟(4)的細(xì)化流程圖。8是本發(fā)明方法中瓦記錄磁盤系統(tǒng)基于“段-塊”緩存替換算法示意圖。 9是本發(fā)明方法中瓦記錄磁盤系統(tǒng)基于“段”的倒盤算法示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明瓦記錄磁盤的四級編址方法包括以下步驟
( I)將瓦記錄磁盤的邏輯空間劃分為“區(qū)-段-塊-扇區(qū)”的四級結(jié)構(gòu)，具體而言， 將多個連續(xù)的磁道組織在一起，構(gòu)成一個區(qū)，區(qū)再劃分為多個段，一個段包含多個塊，一個塊由多個連續(xù)的扇區(qū)組成，由此構(gòu)成“區(qū)-段-塊-扇區(qū)”的四級劃分結(jié)構(gòu)，如圖2所示，每個圓環(huán)代表一個區(qū)，一個區(qū)按照徑向分成了若干個段。如區(qū)I被劃分成了 8個段，而每個段則是由不同磁道上的連續(xù)扇區(qū)構(gòu)成，同一磁道上的連續(xù)扇區(qū)則構(gòu)成了一個操作單元(即塊)。采用四級劃分結(jié)構(gòu)這種方 式，充分利用瓦記錄磁盤徑向覆蓋的特點(diǎn)，將一個區(qū)內(nèi)徑向的多個塊組織成一個段，邏輯地址段內(nèi)是連續(xù)的，利用存儲的空間局部性，減少段內(nèi)寫的數(shù)據(jù)重寫量。
(2)采用徑向編址的方式對劃分后的四級結(jié)構(gòu)進(jìn)行編址，這樣與傳統(tǒng)的沿著磁道方向編址的方式對比，在寫磁盤時能夠顯著減少數(shù)據(jù)移動量和重寫量，減少“寫放大”的問題。具體而言，如圖3所示，假設(shè)寫數(shù)據(jù)覆蓋了相鄰的2個磁道，則寫4個數(shù)據(jù)塊時，將覆蓋相鄰磁道上的8個數(shù)據(jù)塊，即需要將這8個數(shù)據(jù)塊讀出來，寫到空閑塊中，然后再寫入要寫的4個數(shù)據(jù)塊，總的讀數(shù)據(jù)量是8個數(shù)據(jù)塊，寫數(shù)據(jù)量是12個數(shù)據(jù)塊。本發(fā)明采用徑向編址方式，同樣的寫4個數(shù)據(jù)塊，只會影響相鄰磁道上的2個數(shù)據(jù)塊，總的讀數(shù)據(jù)量是2個數(shù)據(jù)塊，寫數(shù)據(jù)量是6個數(shù)據(jù)塊?？梢杂行У木徑馔哂涗洿疟P“寫放大”的問題。
(3)對編址后的四級結(jié)構(gòu)的區(qū)間間隔進(jìn)行優(yōu)化，具體而言，采用對稱堆疊式的磁道布局，如圖5所示，相鄰的兩個區(qū)按照對稱方式進(jìn)行磁道記錄，即沿內(nèi)徑和外徑兩個方向進(jìn)行記錄，每個區(qū)內(nèi)部磁道覆蓋方向是相同的，假設(shè)磁頭在區(qū)I中寫數(shù)據(jù)，沿內(nèi)徑方向依次寫入磁道I，磁道2，...，磁道N，而區(qū)2則沿相反方向依次寫入磁道I’，磁道2’，…，磁道N’， 其中區(qū)I中的磁道N和區(qū)2中的磁道N’中間重疊的部分為隔離帶。這樣，與圖4所示的傳統(tǒng)磁道布局相比，減少了一半的隔離帶空間開銷，提高了瓦記錄磁盤的空間利用率。
(4)對編址后的四級結(jié)構(gòu)的瓦記錄磁盤進(jìn)行讀寫操作，如圖6所示，本發(fā)明的瓦記錄磁盤系統(tǒng)采用的三級架構(gòu)，瓦記錄磁盤系統(tǒng)接受上層的讀寫請求，完成對瓦記錄磁盤的讀寫操作，瓦記錄磁盤系統(tǒng)主要分為三個部分瓦記錄管理部分，用于實(shí)現(xiàn)瓦記錄磁盤的內(nèi)部原理；閃存管理部分，用于主要完成閃存作為瓦記錄磁盤讀緩存的管理功能；內(nèi)存管理 部分，用于主要完成內(nèi)存作為瓦記錄磁盤寫緩存的功能。
本步驟包括以下子步驟
(4-1)接收來自上層文件系統(tǒng)的讀寫請求，根據(jù)讀寫請求的邏輯地址進(jìn)行地址映 射，以得到該請求對應(yīng)的區(qū)號、段號和塊號，并判斷該讀寫請求是讀請求還是寫請求，如果 是讀請求進(jìn)入步驟(4-2 )，否則進(jìn)入步驟(4-7 );
(4-2)判斷內(nèi)存中是否緩存了該讀請求對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，若存在，則進(jìn)入步驟(4-3)， 否則進(jìn)入步驟(4-4)；
(4-3)從內(nèi)存中讀取該數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層文件系統(tǒng)，過程結(jié)束；
(4-4)判斷SSD中是否緩存了該數(shù)據(jù)塊，若存在，則進(jìn)入步驟(4_5)，否則進(jìn)入步驟 (4-6)；
(4-5)從SSD中讀取該數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層文件系統(tǒng)，過程結(jié)束；
(4-6)從瓦記錄磁盤中讀取該數(shù)據(jù)塊，將該數(shù)據(jù)塊緩存在SSD中，并將該數(shù)據(jù)塊返 回給上層文件系統(tǒng)，過程結(jié)束；該步驟包括以下子步驟
(4-6-1)從瓦記錄磁盤中讀取該數(shù)據(jù)塊，在SSD中查找是否有空閑的數(shù)據(jù)塊，若 有，則進(jìn)入步驟(4-6-2 )，否則進(jìn)入步驟(4-6-3 )；
(4-6-2)將該數(shù)據(jù)塊寫入SSD中空閑的數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層文件系 統(tǒng)，過程結(jié)束；
(4-6-3)替換掉SSD中的數(shù)據(jù)塊，以提供空閑的數(shù)據(jù)塊，具體而言，SSD中保存的是 瓦記錄磁盤中數(shù)據(jù)塊的副本，使用LRU算法替換掉最久未使用的數(shù)據(jù)塊；
(4-6-4)將該數(shù)據(jù)塊寫到空閑的數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層的文件系統(tǒng)，過 程結(jié)束；
(4-7)判斷內(nèi)存中是否緩存了該寫請求對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，若不存在，則進(jìn)入步驟 (4-8)，否則進(jìn)入步驟(4-12)；
(4-8)判斷SSD中是否緩存了該數(shù)據(jù)塊，若不存在，則進(jìn)入步驟(4_9)，否則進(jìn)入步 驟(4-10)；
(4-9)從瓦記錄磁盤中讀取該數(shù)據(jù)塊，進(jìn)入步驟(4-11)；
(4-10)從SSD中讀取該數(shù)據(jù)塊，同時將SSD中的該數(shù)據(jù)塊置為無效；
(4-11)將該數(shù)據(jù)塊修改后寫入內(nèi)存，過程結(jié)束；該步驟包括以下子步驟
(4-11-1)修改該數(shù)據(jù)塊，在內(nèi)存中查找是否有空閑的數(shù)據(jù)塊，若有，則進(jìn)入步驟 (4-11-2)，否則進(jìn)入步驟(4-11-3)；
(4-11-2)將修改后的數(shù)據(jù)塊寫入內(nèi)存中空閑的數(shù)據(jù)塊，過程結(jié)束；
(4-11-3)替換掉內(nèi)存中部分臟數(shù)據(jù)塊，以提供空閑的數(shù)據(jù)塊；具體而言，本發(fā)明設(shè) 計了一個基于“段-塊”的緩存替換算法，算法思想是盡量減少倒盤的次數(shù)，即每次倒盤時 盡量提供較多的空閑塊，將屬于同一個段的塊盡量替換掉寫回磁盤，而將該段的“熱塊”數(shù) 據(jù)保留在緩存中，將緩存中的塊按照LRU順序組織起來。當(dāng)緩存滿時，從LRU尾部向前搜索 “冷塊”，將臟數(shù)據(jù)塊數(shù)目最多的段替換掉，寫回磁盤。RAM可以緩存10個塊，當(dāng)前有10個塊 在RAM，訪問塊6時，在RAM命中，塊6被提至LRU首部，接下來有個寫請求，并且在RAM中不 命中，需要替換掉RAM中相關(guān)的塊，假設(shè)RAM中前面30%的都是“熱塊”，那么搜索后面70%的“冷塊”，各段中“冷塊”數(shù)目最多的是塊O、塊7、塊5和塊8所在的段，替換掉該段，這樣 可以騰出4個空閑數(shù)據(jù)塊，同時較熱的數(shù)據(jù)塊4保留在內(nèi)存中；
(4-11-4)將臟數(shù)據(jù)塊寫回瓦記錄磁盤；具體而言，采用基于“段”的倒盤方式，將寫 磁盤時會影響的磁道數(shù)據(jù)塊讀出來，結(jié)合要寫入的數(shù)據(jù)塊，順序?qū)懭肽硞€段中。這樣將多個 隨機(jī)寫合并成一個順序?qū)?，一次性寫入一個段的多個塊，減少寫磁盤操作造成的數(shù)據(jù)移動 量和重寫量。如圖9所示，緩存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)塊5和塊3被替換，需要寫回瓦記錄磁盤， 同時，數(shù)據(jù)塊4和塊I已緩存在SSD中，由于瓦記錄磁盤的寫覆蓋特點(diǎn)，寫數(shù)據(jù)塊5時，會影 響數(shù)據(jù)塊4及后面的數(shù)據(jù)塊，按照基于“段”的倒盤算法，從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)塊5，從SSD中 讀取數(shù)據(jù)塊4，從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)塊3，從瓦記錄磁盤讀取數(shù)據(jù)塊2，從SSD中讀取數(shù)據(jù)塊I 到buf中，然后將buf中的數(shù)據(jù)順序的寫入到該段的數(shù)據(jù)塊5到塊I ;
(4-11-5)將修改后的數(shù)據(jù)塊寫入空閑的數(shù)據(jù)塊，過程結(jié)束；
(4-12 )寫內(nèi)存，修改該數(shù)據(jù)塊，過程結(jié)束。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種瓦記錄磁盤的四級編址方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將瓦記錄磁盤的邏輯空間劃分為“區(qū)-段-塊-扇區(qū)”的四級結(jié)構(gòu)；(2)采用徑向編址的方式對劃分后的四級結(jié)構(gòu)進(jìn)行編址；(3)采用對稱堆疊式的磁道布局對編址后的四級結(jié)構(gòu)的區(qū)間間隔進(jìn)行優(yōu)化；(4)對編址后的四級結(jié)構(gòu)的瓦記錄磁盤進(jìn)行讀寫操作，具體包括以下子步驟(4-1)接收來自上層文件系統(tǒng)的讀寫請求，根據(jù)讀寫請求的邏輯地址進(jìn)行地址映射，以得到該請求對應(yīng)的區(qū)號、段號和塊號，并判斷該讀寫請求是讀請求還是寫請求，如果是讀請求進(jìn)入步驟(4-2)，否則進(jìn)入步驟(4-7)；(4-2)判斷內(nèi)存中是否緩存了該讀請求對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，若存在，則進(jìn)入步驟(4-3)，否則進(jìn)入步驟(4-4)；(4-3)從內(nèi)存中讀取該數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層文件系統(tǒng)，過程結(jié)束；(4-4)判斷SSD中是否緩存了該數(shù)據(jù)塊，若存在，則進(jìn)入步驟(4-5)，否則進(jìn)入步驟 (4-6)；(4-5)從SSD中讀取該數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層文件系統(tǒng)，過程結(jié)束；(4-6)從瓦記錄磁盤中讀取該數(shù)據(jù)塊，將該數(shù)據(jù)塊緩存在SSD中，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層文件系統(tǒng)，過程結(jié)束；(4-7)判斷內(nèi)存中是否緩存了該寫請求對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，若不存在，則進(jìn)入步驟(4-8)，否則進(jìn)入步驟(4-12)；(4-8)判斷SSD中是否緩存了該數(shù)據(jù)塊，若不存在，則進(jìn)入步驟(4-9)，否則進(jìn)入步驟 (4-10)；(4-9 )從瓦記錄磁盤中讀取該數(shù)據(jù)塊，進(jìn)入步驟(4-11);(4-10)從SSD中讀取該數(shù)據(jù)塊，同時將SSD中的該數(shù)據(jù)塊置為無效；(4-11)將該數(shù)據(jù)塊修改后寫入內(nèi)存，過程結(jié)束；(4-12)寫內(nèi)存，修改該數(shù)據(jù)塊，過程結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四級編址方法，其特征在于，步驟(I)具體為，將多個連續(xù)的磁道組織在一起，構(gòu)成一個區(qū)，區(qū)再劃分為多個段，一個段包含多個塊，一個塊由多個連續(xù)的扇區(qū)組成，由此構(gòu)成“區(qū)-段-塊-扇區(qū)”的四級劃分結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四級編址方法，其特征在于，步驟(4-6)包括以下子步驟 (4-6-1)從瓦記錄磁盤中讀取該數(shù)據(jù)塊，在SSD中查找是否有空閑的數(shù)據(jù)塊，若有，則進(jìn)入步驟(4-6-2)，否則進(jìn)入步驟(4-6-3)；(4-6-2)將該數(shù)據(jù)塊寫入SSD中空閑的數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層文件系統(tǒng)，過程結(jié)束；(4-6-3)替換掉SSD中的數(shù)據(jù)塊，以提供空閑的數(shù)據(jù)塊，具體而言，SSD中保存的是瓦記錄磁盤中數(shù)據(jù)塊的副本，使用LRU算法替換掉最久未使用的數(shù)據(jù)塊；(4-6-4)將該數(shù)據(jù)塊寫到空閑的數(shù)據(jù)塊，并將該數(shù)據(jù)塊返回給上層的文件系統(tǒng)，過程結(jié)束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四級編址方法，其特征在于，步驟(4-11)包括以下子步驟 (4-11-1)修改該數(shù)據(jù)塊，在內(nèi)存中查找是否有空閑的數(shù)據(jù)塊，若有，則進(jìn)入步驟(4-11-2)，否則進(jìn)入步驟(4-11-3)；(4-11-2)將修改后的數(shù)據(jù)塊寫入內(nèi)存中空閑的數(shù)據(jù)塊，過程結(jié)束；(4-11-3)替換掉內(nèi)存中部分臟數(shù)據(jù)塊，以提供空閑的數(shù)據(jù)塊(4-11-4)將臟數(shù)據(jù)塊寫回瓦記錄磁盤；具體而言，采用基于“段”的倒盤方式，將寫磁盤時會影響的磁道數(shù)據(jù)塊讀出來，結(jié)合要寫入的數(shù)據(jù)塊，順序?qū)懭肽硞€段中。這樣將多個隨機(jī)寫合并成一個順序?qū)?，一次性寫入一個段的多個塊，減少寫磁盤操作造成的數(shù)據(jù)移動量和重寫量。(4-11-5)將修改后的數(shù)據(jù)塊寫入空閑的數(shù)據(jù)塊，過程結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的四級編址方法，其特征在于，步驟(4-11-4)具體為，采用基于 “段”的倒盤方式，將寫磁盤時會影響的磁道數(shù)據(jù)塊讀出來，結(jié)合要寫入的數(shù)據(jù)塊，順序?qū)懭肽硞€段中。這樣將多個隨機(jī)寫合并成一個順序?qū)?，一次性寫入一個段的多個塊，以減少寫磁盤操作造成的數(shù)據(jù)移動量和重寫量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種瓦記錄磁盤的四級編址方法，包括以下步驟將瓦記錄磁盤的邏輯空間劃分為“區(qū)-段-塊-扇區(qū)”的四級結(jié)構(gòu)，采用徑向編址的方式對劃分后的四級結(jié)構(gòu)進(jìn)行編址，采用對稱堆疊式的磁道布局對編址后的四級結(jié)構(gòu)的區(qū)間間隔進(jìn)行優(yōu)化，對編址后的四級結(jié)構(gòu)的瓦記錄磁盤進(jìn)行讀寫操作。本發(fā)明針對瓦記錄磁盤隨機(jī)寫限制，對瓦記錄磁盤的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和磁道布局進(jìn)行優(yōu)化，并且結(jié)合閃存和內(nèi)存的讀寫速度快優(yōu)勢，組成三級架構(gòu)的瓦記錄磁盤系統(tǒng)，來解決傳統(tǒng)瓦記錄磁盤的隨機(jī)寫性能差的問題，使其在倍增磁盤可用容量的同時，避免性能的下降，并提高讀寫速度。
文檔編號G06F12/02GK102999428SQ20121042953
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者萬繼光, 謝長生, 譚志虎, 陳鵬, 趙楠楠, 毛宇, 王繼彬 申請人:華中科技大學(xué)