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申请/专利权人：山东华芯半导体有限公司

摘要：本发明公开一种应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA分配方法和映射方法，基于LMU的方式对SSD控制器中的controller进行组织管理管理，同时基于变体B+树结构对namespace进行LMU分配。在创建namespace时执行controller LBA的分配。在controller LBA分配方法时，将所有controller LBA划分为若干个LBA管理单元LMU，每个LMU包含相同数量的controller LBA，SSD控制器会以LMU为单位为namespace分配controller LBA。为了有效利用分配后的controller LBA，本方法创建度为M的变体B+树数据结构，将可用的LMU ID分配给变体B+树叶子结点中的关键字，即完成了本实施例所述的分配方法。本发明可以提升controller LBA利用率、提高SSD控制器前端读写处理速度。

主权项：1.一种应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA分配方法，namespace指NVMe协议内主机所使用的逻辑空间，LBA指逻辑块地址，其特征在于：所述方法包括以下步骤：S01、SSD控制器将所有controller LBA等分为NL个LBA管理单元LMU，除最后一个LMU外，每个LMU包括NCL个controller LBA，controller LBA指SSD控制器内部的LBA；S02、使用数组结构记录每个LMU的ID和起始controller LBA，起始controller LBA记为CLBALMUID‑start，；S03、SSD控制器控制器接收并解析NVMe协议主机下发的namespace创建请求，获得创建所需要的LBA个数NLBA；S04、通过NLBA和NCL计算需要分配的LMU个数NNL，代表向上取整；S05、以集合S＝{NCL,2NCL,3NCL,…,NNL*NCL}中的所有元素为关键字创建度为M的变体B+树数据结构，创建流程为：S51、新建结点，并将其作为当前结点；S52、将集合S中的首个元素作为关键字插入当前接点中，并从S中删除该元素；S53、判断当前结点包含的关键字个数，如果关键字个数小于或者等于M‑1，则执行步骤S54，否则执行步骤S55；S54、判断S中元素是否为空，是则结束，否则返回步骤S52；S55、以当前结点中第个关键字为中心，代表向下取整，将当前结点分裂为两个结点；S56、将第个关键字按从大到小的顺序插入父结点，该关键字的左边指针指向当前结点分裂后的左边结点，右边指针指向分裂后的右边结点，并将父结点作为当前结点；返回步骤S53；S06、为变体B+树的叶子节点中的每个关键字分配可用的LMU ID，变体B+树数据结构创建完成，对namespace的LBA的分配也完成。

全文数据：应用于NVMeSSD控制器的namespace的LBA分配方法和映射方法技术领域本发明涉及基于NVMeNon-VolatileMemoryexpress协议的SSDsolidstatedisk，固态硬盘控制器领域，尤其涉及NVMe协议中多namespace命名空间的LBAlogicblockaddress，逻辑块地址分配方法和LBA映射方法。背景技术一个NVMeSSD主要由SSD控制器、闪存空间和PCIe接口组成。NVMe协议支持主机使用若干独立的逻辑空间经由SSD控制器来管理闪存空间，这样划分出来的每一个逻辑空间称为namespace。每个namespace由若干LBA组成，LBA范围是0到N-1N是namespace包含的LBA个数，一个LBA大小则通常指定为4KB，这里将这类LBA称之为namespaceLBA。每个namespace都有其特定ID，主机在发送读写SSD命令时，通过指定namespaceID和namespaceLBA对闪存相关位置进行操作。在企业级SSD中，客户可以根据不同需求创建不同特征的namespace，即在一个SSD上创建出若干个不同特征的磁盘供不同客户使用。Namespace的另外一个重要使用场合为SR-IOVSingleRoot-IOVirtualization。SR-IOV技术允许在虚拟机之间高效共享PCIe设备，并且它是在硬件中实现的，可以获得能够与本机性能媲美的IO性能。单个SSD可由许多虚拟机共享，共享SSD不仅要为每个虚拟机提供专用资源专用namespace，并且还要提供通用资源公有namespace。因此，在NVMeSSD设备中实现多namespace支持符合企业级SSD的发展趋势。主机在对SSD设备执行读写操作时，SSD控制器会根据所接收的namespaceID将namespaceLBA转换为controllerLBA。ControllerLBA是SSD管理闪存空间的基本单元，大小通常也为4K。在主机申请创建namespace时，SSD控制器会将指定数目的可用controllerLBA分配到新的namespace中，这些被分配的controllerLBA通常情况下不会从0开始，有时甚至不会彼此连续。主机对于此类情况无法感知，因为controllerLBA对于主机是透明的，主机只知道新创建的namespace所包含的namespaceLBA是连续的。因此，设计并实现合理高效的controllerLBA分配方案和namespaceLBA到controllerLBA的映射方案，对于提升controllerLBA利用率、提高SSD控制器前端读写处理速度是非常具有现实意义的。发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种应用于NVMeSSD控制器的namespace的LBA分配方法和映射方法，提升controllerLBA利用率、提高SSD控制器前端读写处理速度。为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种应用于NVMeSSD控制器的namespace的LBA分配方法，namespace指NVMe协议主机中划分的逻辑空间，LBA指逻辑块地址，所述方法包括以下步骤：S01、SSD控制器将所有controllerLBA等分为NL个LBA管理单元LMU，除最后一个LMU外，每个LMU包括NCL个controllerLBA，controllerLBA指SSD控制器内部的LBA；S02、使用数组结构记录每个LMU的ID和起始controllerLBA，起始controllerLBA记为CLBALMUID-start，；S03、SSD控制器控制器接收并解析NVMe协议主机下发的namespace创建请求，获得创建所需要的LBA个数NLBA；S04、通过NLBA和NCL计算需要分配的LMU个数NNL，代表向上取整；S05、以集合S＝{NCL,2NCL,3NCL,…,NNL*NCL}中的所有元素为关键字创建度为M的变体B+树数据结构，创建流程为：S51、新建结点，并将其作为当前结点；S52、将集合S中的首个元素作为关键字插入当前接点中，并从S中删除该元素；S53、判断当前结点包含的关键字个数，如果关键字个数小于或者等于M-1，则执行步骤S54，否则执行步骤S55；S54、判断S中元素是否为空，是则结束，否则返回步骤S52；S55、以当前结点中第个关键字为中心，代表向下取整，将当前结点分裂为两个结点；S56、将第个关键字按从大到小的顺序插入父结点，该关键字的左边指针指向当前结点分裂后的左边结点，右边指针指向分裂后的右边结点，并将父结点作为当前结点；返回步骤c；S06、为变体B+树的叶子节点中的每个关键字分配可用的LMUID，变体B+树数据结构创建完成，对namespace的LBA的分配也完成。进一步的，步骤S55中，第个关键字包含在右边结点内。进一步的，步骤S56中，将关键字插入父结点时，若无父结点则新建父结点。进一步的，新创建的度为M的变体B+树具有以下特性：任意非叶子结点最多只有M个儿子，且M2；根结点的儿子数为[2，M]；除根结点以外的非叶子结点的儿子数为[M2，M]；每个结点存放至少至多M-1个关键字，且关键字为LMU所包含controllerLBA数目的整数倍；非叶子结点的关键字个数比指向儿子的指针个数小1；非叶子结点的关键字为K[1],K[2],…,K[M-1]，且K[i]2；根结点的儿子数为[2，M]；除根结点以外的非叶子结点的儿子数为[M2，M]；每个结点存放至少至多M-1个关键字，且关键字为LMU所包含controllerLBA数目的整数倍；非叶子结点的关键字个数比指向儿子的指针个数小1；非叶子结点的关键字为K[1],K[2],…,K[M-1]，且K[i]K[i+1]；非叶子结点的指针为P[1],P[2],…,P[M]，其中P[1]指向关键字小于K[1]的子树，P[M]指向关键字大于等于K[M-1]的子树，其它P[i]指向关键字属于[K[i-1],K[i]的子树；所有叶子结点位于同一层，叶子结点中每个关键字关联一个LMU，所有关键字有序排列。如图1所示，为本实施例中对controllerLBA进行等分的示意图，其中NC表示SSD控制器中controllerLBA总个数，NL表示SSD控制器中LMU总个数，NCL表示每个LMU所包含的controllerLBA个数，LMU从0开始计数。由图可知，每个LMU都有其特定的起始controllerLBA和终止controllerLBA。除最后一个LMU之外，所有LMU所包含的controllerLBA个数均为NCL，最后一个LMU则包含NC-NL-1*NCL个controllerLBA。主机下发namespace创建请求时，SSD控制器会根据请求指定的空间大小为新的namespace分配可用的LMU。如果指定空间大小指定的LBA个数NLBA不是NCL的整数倍，则为其分配个LMU。在主机对namespace执行读写操作时，SSD设备通过解析namespaceID和namespaceLBA来对LMUID进行定位，进而计算出实际要操作的controllerLBA。如图2所示，为本实施例创建的度为M的变体B+树数据结构的示意图，图中所示的叶子结点共分配了9个LMU，该树就是LBA分配的结果。实施例2本实施例公开一种应用于NVMeSSD控制器的针对namespace的LBA映射方法，本映射方法实现namespaceLBA到controllerLBA的转换，所述namespaceLBA经过实施例1分配产生，如图4所示，包括以下步骤：S01、SSD控制器解析主机下发的读写请求，获得namespaceID和namespaceLBA，namespaceID记为NLBAnamespaceID；S02、以namespaceID对应的变体B+树根结点作为当前结点；S03、在当前结点中遍历其关键字，找到关键字Ki-1，若满足Ki-1≤NLBAnamespaceID，将大于Ki-1的子结点作为当前结点；S04、判断当前结点是否为叶子结点，是则继续，否则返回步骤S03；S05、在当前叶子结点遍历其关键字，找到关键字Kj，如果满足NLBAnamespaceID≤Kj，找到Kj所关联的LMU；S06、计算namespaceLBA对应的controllerLBA，计算方式为：CLBAnamespaceID_NLBA＝NLBAnamespaceID-Kj-1+CLBALMUID_start，CLBAnamespaceID_NLBA就是namespaceLBA对应的controllerLBA，至此，映射流程结束。本实施例中，步骤S03中遍历当前结点关键字时，同时寻找关键字Ki，并且满足Ki-1≤NLBAnamespaceID≤Ki时，将Ki-1和Ki之间的子节点作为当前结点。本实施例中，步骤步骤S03中遍历当前结点关键字时，同时寻找关键字Kj-1，并且满足Kj-1≤NLBAnamespaceID≤Kj时，找到Kj所关联的LMU。如图2所述，namespace共分配了9个LMU，这些LMU并不连续，即namespace中所包含的controllerLBA无法保证完全连续。在主机对某个namespace执行读写操作时，namespaceLBA的值可能会跨越多个LMU，此时需要计算namespaceLBA在namespace中所对应的LMU索引，再根据LMU索引找到controllerLBA。在不采取任何优化方案的情况下，通过除法运算namespaceLBALMU可以计算出namespaceLBA在namespace中所对应的LMU索引，然而这种方式在随机读写操作中严重影响执行效率。由于无法保证每个LMU所包含的controllerLBA数目为2的幂次方，因此无法使用位运算代替除法运算。基于此，本实施例所述的LBA映射方法采用度为4的变体B+树数据结构来存储和管理namespace中的LMU，其中关键字Ki用于索引namespaceLBA范围，NCL仍表示每个LMU所包含的controllerLBA个数。根结点和非叶子结点中，Ki左边的子结点所包含的namespaceLBA均小于Ki，Ki右边的子结点所包含的namespaceLBA则大于等于Ki。叶子结点中，每个Ki指向所对应的LMUID，该Ki描述了namespaceLBA的范围，范围为[Ki-NCL,Ki-1]；LMUID描述了namespaceLBA对应的controllerLBA的范围，该范围为[LMU_ID＊NCL,LMU_ID+1＊NCL-1]。例如，如果叶子结点中的关键字为5NCL，那么当一个namespaceLBA通过树结构进行查找并定位找到叶子结点中的该关键字时，即表示该namespaceLBA值的范围是[4NCL,5NCL-1]，它所对应的controllerLBA位于LMU21中，controllerLBA的范围是[21NCL,22NCL-1].基于该变体B+树索引结构，在输入namespaceLBA后最多执行logM-1*N～logM2*N次查找即可定位namespaceLBA所对应的LMU，相较于除法运算更为高效。本发明提出的一种应用于NVMeSSD控制器中的LBA分配方法和映射方法，针对SSD设备multi-namespace特性进行了controllerLBA的分配优化和存储优化。基于B+树变体数据结构对namespace所包含的controllerLBA进行管理，减少了SSD设备对controllerLBA的管理成本，同时提高了namespaceLBA的映射效率，进而完成了SSD设备读写操作的速度优化。以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

权利要求：1.一种应用于NVMeSSD控制器的namespace的LBA分配方法，namespace指NVMe协议内主机所使用的逻辑空间，LBA指逻辑块地址，其特征在于：所述方法包括以下步骤：S01、SSD控制器将所有controllerLBA等分为NL个LBA管理单元LMU，除最后一个LMU外，每个LMU包括NCL个controllerLBA，controllerLBA指SSD控制器内部的LBA；S02、使用数组结构记录每个LMU的ID和起始controllerLBA，起始controllerLBA记为CLBALMUID-start，；S03、SSD控制器控制器接收并解析NVMe协议主机下发的namespace创建请求，获得创建所需要的LBA个数NLBA；S04、通过NLBA和NCL计算需要分配的LMU个数NNL，代表向上取整；S05、以集合S＝{NCL,2NCL,3NCL,…,NNL*NCL}中的所有元素为关键字创建度为M的变体B+树数据结构，创建流程为：S51、新建结点，并将其作为当前结点；S52、将集合S中的首个元素作为关键字插入当前接点中，并从S中删除该元素；S53、判断当前结点包含的关键字个数，如果关键字个数小于或者等于M-1，则执行步骤S54，否则执行步骤S55；S54、判断S中元素是否为空，是则结束，否则返回步骤S52；S55、以当前结点中第个关键字为中心，代表向下取整，将当前结点分裂为两个结点；S56、将第个关键字按从大到小的顺序插入父结点，该关键字的左边指针指向当前结点分裂后的左边结点，右边指针指向分裂后的右边结点，并将父结点作为当前结点；返回步骤S53；S06、为变体B+树的叶子节点中的每个关键字分配可用的LMUID，变体B+树数据结构创建完成，对namespace的LBA的分配也完成。2.根据权利要求1所述的NVMeSSD控制器的namespace的LBA分配方法，其特征在于：步骤S55中，第个关键字包含在右边结点内。3.根据权利要求1所述的NVMeSSD控制器的namespace的LBA分配方法，其特征在于：步骤S56中，将关键字插入父结点时，若无父结点则新建父结点。4.根据权利要求1所述的NVMeSSD控制器的namespace的LBA分配方法，其特征在于，新创建的度为M的变体B+树相比一般B+树具有以下特性：结点中关键字K[i]的值应为LMU所包含controllerLBA数目的整数倍；非叶子结点的指针为P[1],P[2],…,P[M]，其中P[1]指向关键字小于K[1]的子树，P[M]指向关键字大于等于K[M-1]的子树，其它P[i]指向关键字属于[K[i-1],K[i]的子树；叶子结点中每个关键字关联一个LMUID。5.一种应用于NVMeSSD控制器的namespace的LBA映射方法，namespace指NVMe协议主机中划分的逻辑空间，LBA指逻辑块地址，其特征在于，本映射方法实现namespaceLBA到controllerLBA的转换，所述namespaceLBA经过权利要求1分配产生，包括以下步骤：S01、SSD控制器解析主机下发的读写请求，获得namespaceID和namespaceLBA，namespaceID记为NLBAnamespaceID；S02、以namespaceID对应的变体B+树根结点作为当前结点；S03、在当前结点中遍历其关键字，找到关键字Ki-1和Ki，若满足Ki-1≤NLBAnamespaceID≤Ki，将Ki-1和Ki间的子结点作为当前结点；S04、判断当前结点是否为叶子结点，是则继续，否则返回步骤S03；S05、在当前叶子结点遍历其关键字，找到关键字Kj-1和Kj，如果满足Kj-1≤NLBAnamespaceID≤Kj，找到Kj所关联的LMU；S06、计算namespaceLBA对应的controllerLBA，计算方式为：CLBAnamespaceID_NLBA＝NLBAnamespaceID-Kj-1+CLBALMUID_start，CLBAnamespaceID_NLBA就是namespaceLBA对应的controllerLBA，至此，映射流程结束。6.根据权利要求5所述的应用于NVMeSSD控制器的namespace的LBA映射方法，其特征在于：步骤S03中遍历当前结点关键字时，如果不存在NLBAnamespaceID≤Ki，仅满足Ki-1≤NLBAnamespaceID，则将大于Ki-1的子节点作为当前结点。7.根据权利要求5所述的应用于NVMeSSD控制器的namespace的LBA映射方法，其特征在于：步骤S05中遍历当前结点关键字时，如果不存在Kj-1≤NLBAnamespaceID，仅满足NLBAnamespaceID≤Kj时，找到Kj所关联的LMU。

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