SSD主控Buffer、SSD主控及SSD非对齐写数据传输控制方法

摘要

本发明公开了一种SSD主控Buffer、SSD主控及SSD非对齐写数据传输控制方法，整个读填充过程中，CPU只参与了一个步骤，其他过程都由逻辑根据数据传输控制规则自动完成buffer的申请、数据同步、buffer的释放，极大节省了CPU时间资源的消耗，提高CPU处理其他事务的能力；另外，在本发明方法中，Read DMA一旦完成写part2、part3数据，此时part2、part3所在的RD flag已置位，即使part1数据并没有准备好，但Read DMA依然立即执行读取part1+part2+part3操作，如此极大减小Read DMA等待时间，有效提升DMA间传输效率。

说明书

技术领域

本发明涉及SSD数据读写领域，特别是一种SSD主控Buffer、SSD主控及SSD非对齐写数据传输控制方法。

背景技术

在主流SSD主控中，前端必须按sector(512Byte)长度数据对齐的方式读写数据，而SSD为方便管理常采用unit(unit大小为4KByte或8KByte)对齐方式下刷数据和查改表项。非对齐写指读写数据的范围不是按照unit对齐的写行为，如图1所示。在图1场景下，需要通过读操作将非对齐部分（黄色区域）补齐，该补齐操作称为读填充，补齐后再下刷数据到flash并改表。

结合图1、图2现有方法对SSD非对齐写可分解为以下几个步骤：

1.CPU从Buffer中为Write DMA分配写缓存，该缓存记为bufferA，bufferA大小等于Part2+part1+part3数据大小；

2.CPU启动Write DMA写数据part1到bufferA内指定位置；

3.CPU启动Read DMA写数据part2/part3到bufferA内指定位置；

4.Part1或part2或part3数据传输完成时，Wirte DMA或Read DMA上报CPU写完成；

中断, 当part1+part2+part3都传输完毕时，进入下一步，否则等待；

5.CPU启动 Read DMA读取part2+part1+par3；

6.Read DMA读完成后，上报CPU 读完成中断；

7.CPU释放bufferA空间。

从现有方法可知，几乎每个关键步骤都需要CPU参与，占用CPU时间资源严重，且操作较为繁琐。从步骤4进入第5步的条件是 part2、part1、part3数据都传输完毕，等待时间过长，传输效率低下。也正是因为存在上述缺点，导致SSD在执行非对齐写相较对齐写的带宽下降非常厉害。

综上，可知现有技术存在以下缺点：

(1)占用CPU时间资源较多，现有技术方法步骤很多，且基本都需要CPU介入到传输处理中，显然CPU时间资源消耗严重，必然导致一次DMA间数据传输延迟的增加，同时导致CPU处理其他任务的能力变弱，拖累整个SSD系统的性能表现。

(2)DMA间无效等待时间过长，传输效率低下。结合现有技术方法的描述可知，只有在Part1、part2、part3都完成数据传输后，才可启动Read DMA的数据传输， 即Read DMA有相当长一段时间在等待数据传输完成，这些无效的等待也是传输延迟较长的一个重要原因。

本发明涉及的名词解释或者缩写如下：

SSD：Solid State Drive，固态硬盘，一种利用Flash介质存储用户数据的存储设备。

DMA：Direct Memory Access；直接存储访问模块

Buffer：缓存；

Sector：扇区，在SSD SATA协议中常指连续512Byte长度数据单元。

发明内容

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SSD主控Buffer、SSD主控及SSD非对齐写数据传输控制方法，解决现有非对齐写方法中占用CPU时间资源较多、DMA间传输效率低下问题，提升DMA间数据传输效率，减少无效等待，最终提升SSD数据吞吐能力。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是： 一种SSD主控Buffer，包括多个存储单元；还包括WD Flag空间和RD Flag空间，且每个存储单元在WD Flag空间中都有专属的Lbit信息描述该存储单元的可写入状态，每个存储单元在RD Flag空间中都有专属的Lbit信息描述该存储单元的可读取状态；若某存储单元对应的WD flag空间专属的Lbit信息为状态0，则表示Write DMA可写该存储单元；若该存储单元对应的WD flag为状态1，则表示该存储单元已由Write DMA写满或者为Read DMA写数据预留空间；若某存储单元对应的RD Flag空间专属的Lbit信息为状态0，则表示Read DMA 可写该存储单元，若该存储单元对应的RD Flash空间专属的Lbit信息为状态1，则表示该存储单元由Write DMA写满或者由Read DMA写满。

L>=1，所述存储单元大小为512B。在SSD行业标准中传输的基本单元为512B，所以设计存储单元大小为512B。

相应的，本发明提供了一种SSD主控，包括CPU、Write DMA和Read DMA；还包括上述Buffer；所述Write DMA将非unit对齐部分，即part2的数据传输地址和长度上报给CPU；所述CPU根据传输地址和长度，计算part2、part3的传输起始地址和长度，计算part1+part2+part3的传输起始地址和数据长度，依次向Read DMA下发写part2数据请求、写part3数据的请求、读part1+part2+part3数据请求；其中，part1即非unit对其部分；part3即末尾unit需要读填充部分；READ DMA完成写part1、part2数据，同时完成读part1+part2+part3数据读取。

相应的，本发明还提供了一种利用上述SSD主控对SSD非对齐写数据进行传输控制的方法，包括以下步骤：

1）Write DMA将写指针移动到下一个unit，将起始unit需要读填充部分，即part2对应的WD flag空间专属的Lbit信息置1，同时启动part1数据传输，并上报CPU 传输地址和长度；

2）CPU根据传输地址和长度，计算part2、part3的传输起始地址和长度，计算part1+part2+part3的传输起始地址和数据长度，依次向Read DMA下发写part2数据请求、写part3数据的请求、读part1+part2+part3数据请求；其中，part1即非unit对其部分；part3即末尾unit需要读填充部分；

3）READ DMA完成写part1、part2数据，Read DMA完成读part1+part2+part3数据读取。

步骤1）中，若Write DMA将写指针移动到下一个unit时，超过buffer边界，则读写到Buffer右边界时， 下一次读写位置自动跳转到Buffer的左边界起始位置进行读写。

步骤1）中，启动part1数据传输的规则为：

A）若Write DMA需要写某存储单元时，发现该存储单元对应的WD flag空间为0，则立即将数据写入该空间，写该存储单元后，立即将与该存储单元对应的WD flag空间和RD flag空间置1；

B）若Write DMA需要写某存储单元时，发现该存储单元对应的WD flag空间为1，则暂停Write DMA的数据传输，直至该空间的WD flag空间被其他模块（例如，Read DMA模块或CPU）清0后，Write DMA再按规则A）继续数据传输。

步骤3）中，READ DMA完成写part1、part2数据适应以下规则：

I） 若Read DMA需要写某存储单元，取数据时发现该存储单元对应的RD flag空间值都为0，则立即将数据写入该存储单元，写满该存储单元后，立即将与该该存储单元对应的RDflag空间置1；

II）若Read DMA需要写某存储单元，取数据时发现该存储单元对应的RD flag空间值都为1，则暂停Read DMA的数据传输，直至该存储单元的RD flag空间被其他模块清0，ReadDMA再继续按规则I）继续数据传输。

步骤6）中，Read DMA完成读part1+part2+part3数据读取适应以下规则：

i）若Read DMA需要从某存储单元取数据时，发现该存储单元对应的RD flag空间值都为1，则取走该存储单元内的数据，当该存储单元的数据被全部取走后，将该该存储单元对应的WD flag空间和RD flag空间都清0；

ii）若Read DMA需要从某存储单元取数据时，发现该存储单元对应的RD flag空间值为0，则暂停Read DMA的数据传输，直至该存储单元的RD flag空间被其他模块置1后，ReadDMA再按规则i）继续数据传输。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明将DMA间传输以及读填充操作中的缓存空间分配、数据同步、缓存空间释放都通过WD flag和RD flag结合硬件实现的DMA传输控制规则来自动完成，将CPU从上述这些繁重的处理中解脱出来，极大的节省宝贵的CPU时间资源，有效提升CPU处理SSD其他业务的能力；结合WD flag和RD flag机制，ReadDMA完成数据写入后，便可立即执行数据读取操作，Read DMA并不需要等待Write DMA数据传输完成后才启动数据传输，极大减少Read DMA无效等待时间，由此使得DMA传输效率得到明显提升；在非对齐场景下，Write DMA巧妙的将执行读填充的缓存空间的WD flag置位，以阻止自身覆盖写，而不去置位RD flag为Read DMA执行读填充预留空间，从而让整个非对齐写下的Write DMA写，Read DMA读填充、Read DMA取数据操作依赖WD flag和RD flag自动配合起来。

附图说明

图1为非对齐写数据结构示意图；

图2为常用数据传输管理硬件结构；

图3为本发明中SSD内DMA间数据传输管理示意图。

具体实施方式

本发明方案如图3所示。其与现有技术的最大区别在于多了两个硬件模块WD flag和RD flag。

WD Flag(Write DMA Flag)定义：根据SSD前端协议可知，SSD传输数据肯定是sector对齐，每个sector大小为512B。因此在本方案中规定Buffer中每个sector空间在WDFlag中都有专属的1bit信息与其对应。某sector空间的WD Flag为0表示Write DMA可写该sector空间；若其WD Flash置1表示该sector空间由Write DMA写满或者为Read DMA写数据预留空间。

RD Flag(Read DMA Flag)定义：根据SSD前端协议可知，SSD传输数据肯定是sector对齐，每个sector大小为512B。因此在本方案中规定Buffer中每个sector空间在RDFlag中都有专属的1bit信息与其对应。某sector空间的RD Flag为0表示Read DMA 可写该sector空间，若其RD Flash置1表示该sector空间由Write DMA写满或者由Read DMA写满。

结合WD Flag、RD Flag，硬件需实现以下DMA传输控制规则：

①若Write DMA需要写某sector空间时发现其对应的WD flag为0，则立即将数据写入该空间，写满512B后，立即将与该空间对应的WD flag和RD flag置1.

②若Write DMA需要写某sector空间时发现其对应的WD flag为1，则暂停Write DMA的数据传输，直至该空间的WD flag被其他模块清0后，Write DMA再按规则①继续数据传输。

③若Read DMA需要写某sector空间取数据时发现其对应的RD flag值都为0，则立即将数据写入该空间，写满512B后，立即将与该空间对应的RD flag置1.

④若Read DMA需要写某sector空间取数据时发现其对应的RD flag值都为1，则暂停Read DMA的数据传输，直至该空间的RD flag被其他模块清0，Read DMA再继续按规则③继续数据传输。.

⑤若Read DMA需要从某sector空间取数据时发现其对应的RD flag值都为1，则取走该空间内的数据，取走512B后，将该空间对应的WD flag和RD flag都清0.

⑥若Read DMA需要从某sector空间取数据时发现其对应的RD flag值为0，则暂停ReadDMA的数据传输，直至该空间的RD flag被其他硬件模块置1后，Read DMA再按规则⑤继续数据传输。

⑦Write DMA/Read DMA具备Buffer回环读写功能，即读写到Buffer右边界时， 下一次读写位置自动跳转到Buffer的左边界起始位置进行读写。

⑧Write DMA在写某段空间时，需要将起始unit中需要读填充部分的WD flag置1，而不操作RD flag（如图2中part2数据对应的WD flag）。

具备上述定义和规则后，若要完成相同的工作，假设开始WD flag、RD flag值都为0。本方案实现步骤如下：

(1)Write DMA将写指针移动到下一个unit（若超过buffer边界，则应用规则⑦），将起始unit需要读填充(part2)的空间的WD flag置1（规则⑧），同时启动part1数据传输（传输过程中应用规则①和规则②），并上报CPU 传输地址和长度，

(2)CPU根据传输地址和长度，计算part2、part3的传输起始地址和长度，计算part1+part2+part3的传输起始地址和数据长度，依次向Read DMA下发写part2数据请求、写part3数据的请求、读part1+part2+part3数据请求。这些请求缓存于Read DMA命中FIFO中，按顺序执行

(3)READ DMA根据规则③和规则④完成写part1、part2数据。Read DMA 根据规则⑤和规则⑥完成读part1+part2+part3数据读取。显然当Read DMA完成part1+part2+part3数据传输后，其WD flag、RD flag被请0，即这段缓存被自动释放。

从上述操作流程可知，整个读填充过程，CPU只参与了一个步骤，其他过程都由逻辑根据数据传输控制规则自动完成buffer的申请、数据同步、buffer的释放，极大节省了CPU时间资源的消耗，提高CPU处理其他事务的能力；另外，在本方法中，Read DMA一旦完成写part2、part3数据，此时part2、part3所在的RD flag已置位，即使part1数据并没有准备好，但Read DMA依然立即执行读取part1+part2+part3操作，如此极大减小Read DMA等待时间，有效提升DMA间传输效率。

具体地，本发明原理如下：

1、约定指定大小的存储单元（如512B大小）和WD Flag空间、RD flag， Buffer由多个存储单元组成，每个存储单元在WD Flag、RD flag中都有专属的1bit或多bit信息与其对应。若某存储单元的RD Flag为状态0，表示该存储单元未写满；若某存储单元的RD flag为状态1，表示该存储单元数据已满。若存储单元的WD Flag为状态0，表项该存储单元Write DMA可写，若存储单元的WD Flag为状态1，则该存储单元Write DMA不可写。

2、在1的基础之上，Write DMA需要写buffer内某存储单元时，若其WD Flag为状态0，则Write DMA可写该存储单元，存储单元写满后，立即将其WD flag和RD flag置1；若其WDFlag为状态1，则Write DMA不可写该存储单元，并将Write DMA的写操作挂起，直至WD Flag变换为状态0，方可激活Write DMA继续写。

3、在3基础之上，Read DMA需要写buffer内某存储单元时，若其RD Flag为状态0，则Read DMA可写该存储单元，存储单元写满后，立即将其RD flag置1；若其RD flag为1，则Read DMA不可写该存储单元，并将Read DMA写操作挂起，直至RD flag变换为状态0，方可激活Read DMA继续写。

4、在1的基础之上，Read DMA需要读buffer内某存储单元时，若其RD Flag为状态1，则Read DMA可读该存储单元，读取完存储单元后，立即将其WD Flag和RD flag置位状态0；若其RD Flag为状态0，则Read DMA 不可读该存储单元，并将Read DMA的读操作挂起，直至RD Flag变换为状态1，方可激活Read DMA继续读。

5、在2和3的基础上，当Write DMA/Read DMA写超出Buffer的终点时，则WriteDMA/Read DMA写指针跳转到Buffer的起始位置继续开始写入数据。

6、在4的基础之上，当Read DMA读超出Buffer的终点时，则Read DMA读指针跳转到Buffer的起始位置继续开始读取数据。

、在4的基础之上，Write DMA可自动完成数据存放目标空间的分配，且无需关心目标空间是否超出buffer大小，目标空间是否被其他传输占用，因为这些都将通过WD Flag自动控制。并将起始unit需要读填充部分的WD flag置1，且不需操作RD flag。