一种提高固态硬盘读性能的方法、系统、设备及介质与流程

1.本发明涉及固态硬盘领域，更具体地，特别是指一种提高固态硬盘读性能的方法、系统、计算机设备及可读介质。


背景技术：

2.在高速发展的数字化时代，对于数据信息的共享与传输已经达到了新的数量级，以前的机械硬盘和常规小容量固态硬盘已经无法满足当前的读取速度。当前网络行业中，越来越多的企业和技术都偏重于对数据的高速传输和读取，所以读密集型的大容量ssd(solid state disk，固态硬盘)应运而生。现有技术无法发挥ssd最大的读性能。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种提高固态硬盘读性能的方法、系统、计算机设备及计算机可读存储介质，本发明通过使用模糊pid控制对ssd的随机写iops(input/output operations per second，每秒读写次数)进行控制，将对ssd的随机写iops的输出叠加到输入当中，从而达到随机写iops设定值，通过该控制可以快速达到设定稳态值，可以释放查找管理模块部分写占用的资源，从而对读需求进行资源增加，提高读性能。
4.基于上述目的，本发明实施例的一方面提供了一种提高固态硬盘读性能的方法，包括如下步骤：设置目标每秒读写次数值，获取固态硬盘实际每秒读写次数值，根据所述实际每秒读写次数值和所述目标每秒读写次数值计算得到误差，并根据所述误差得到误差变化率；对所述误差和所述误差变化率进行量化，并将量化后的误差和误差变化率进行模糊化；基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数；以及根据所述比例系数、积分系数和微分系数得到调节每秒读写次数值，并根据所述调节每秒读写次数值对所述实际每秒读写次数值进行调节。
5.在一些实施方式中，所述对所述误差和所述误差变化率进行量化包括：根据每秒读写次数值的变化范围建立误差范围与量化范围之间的第一对应关系，并建立误差变化率与量化范围之间的第二对应关系；以及根据所述第一对应关系和所述误差得到误差量化值，并根据所述第二对应关系和所述误差变化率得到误差变化率量化值。
6.在一些实施方式中，所述将量化后的误差和误差变化率进行模糊化包括：分别确定所述误差和所述误差变化率的模糊子集，并计算所述模糊子集中的每个元素的隶属度。
7.在一些实施方式中，所述计算所述模糊子集中的每个元素的隶属度包括：根据三角隶属度函数分别得到所述误差量化值的模糊子集对应的第一隶属度和所述误差变化率量化值的模糊子集对应的第二隶属度。
8.在一些实施方式中，所述基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数包括：根据所述误差和所述误差变化率的模糊子集确定所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集；以及根据所述误差和所述误差变化率的模糊子集的隶属度计算所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集中每个元素的隶属度。
9.在一些实施方式中，所述基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数包括：根据隶属度函数和所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集中每个元素的隶属度确定所述比例系数、积分系数和微分系数的值。
10.在一些实施方式中，所述根据隶属度函数和所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集中每个元素的隶属度确定所述比例系数、积分系数和微分系数的值包括：将所述量化范围映射到第二量化范围，并根据所述第二量化范围计算所述比例系数、积分系数和微分系数的值。
11.本发明实施例的另一方面，提供了一种提高固态硬盘读性能的系统，包括：第一计算模块，配置用于设置目标每秒读写次数值，获取固态硬盘实际每秒读写次数值，根据所述实际每秒读写次数值和所述目标每秒读写次数值计算得到误差，并根据所述误差得到误差变化率；量化模块，配置用于对所述误差和所述误差变化率进行量化，并将量化后的误差和误差变化率进行模糊化；第二计算模块，配置用于基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数；以及调节模块，配置用于根据所述比例系数、积分系数和微分系数得到调节每秒读写次数值，并根据所述调节每秒读写次数值对所述实际每秒读写次数值进行调节。
12.本发明实施例的又一方面，还提供了一种计算机设备，包括：至少一个处理器；以及存储器，所述存储器存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述指令由所述处理器执行时实现如上方法的步骤。
13.本发明实施例的再一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有被处理器执行时实现如上方法步骤的计算机程序。
14.本发明具有以下有益技术效果：通过使用模糊pid控制对ssd的随机写iops进行控制，将对ssd的随机写iops的输出叠加到输入当中，从而达到随机写iops设定值，通过该控制可以快速达到设定稳态值，可以释放查找管理模块部分写占用的资源，从而对读需求进行资源增加，提高读性能。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
16.图1为本发明提供的提高固态硬盘读性能的方法的实施例的示意图；
17.图2为本发明实施例利用三角形隶属度函数计算隶属度的示意图；
18.图3为本发明提供的提高固态硬盘读性能的计算机设备的实施例的硬件结构示意图；
19.图4为本发明提供的提高固态硬盘读性能的计算机存储介质的实施例的示意图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
21.需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
22.本发明实施例的第一个方面，提出了一种提高固态硬盘读性能的方法的实施例。图1示出的是本发明提供的提高固态硬盘读性能的方法的实施例的示意图。如图1所示，本发明实施例包括如下步骤：
23.s1、设置目标每秒读写次数值，获取固态硬盘实际每秒读写次数值，根据所述实际每秒读写次数值和所述目标每秒读写次数值计算得到误差，并根据所述误差得到误差变化率；
24.s2、对所述误差和所述误差变化率进行量化，并将量化后的误差和误差变化率进行模糊化；
25.s3、基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数；以及
26.s4、根据所述比例系数、积分系数和微分系数得到调节每秒读写次数值，并根据所述调节每秒读写次数值对所述实际每秒读写次数值进行调节。
27.设置目标每秒读写次数值，获取固态硬盘实际每秒读写次数值，根据所述实际每秒读写次数值和所述目标每秒读写次数值计算得到误差，并根据所述误差得到误差变化率。设置目标iops值，例如可以为40k/s，计算误差和误差变化率，e为误差，ec为误差变化率，采样时间间隔是t＝5ms，第一次采样为n＝0；采样iops为45k/s，则iops(0)＝45，e(0)＝40
‑
45＝
‑
5，ec(0)＝(
‑5‑
0)/5ms＝
‑
1。
28.本发明实施例中使用二维模糊控制器，自适应模糊pid控制器以误差e和误差变化率ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对pid参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对pid参数进行修改，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对kp、ki和kd3个参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。通过串口设定ssd的iops预设值作为最开始调整的输入，输出是直接通过lkm(lookup manager，查找管理模块)的写仲裁机制的输出经过iops采集模块计算整个ssd的iops后，经过减法器得出误差e，误差经过求导得到误差变化率ec；由于输入是精确的计算数据，需要对输入进行量化。
29.对所述误差和所述误差变化率进行量化，并将量化后的误差和误差变化率进行模糊化。
30.iops的变化范围在446k/s到0之间，将(
‑
446k/s， 446k/s)的误差范围量化到(
‑
6，6)的量化范围之间。即
‑
446k/s对应的是
‑
6， 446k/s对应的是6。同样，对于误差变化率的变化范围是从(
‑
892k/s， 892k/s)来映射到(
‑
6.6)的范围之间。量化函数即是两个范围的映射。但是由于ssd的写操作会因为盘的空闲与否存在是否稳态的状态，所以为了普适性，需要对稳态和非稳态两种情况都进行映射。在非稳态情况下映射关系是对称的，即(
‑
446k/s， 446k/s)的误差范围量化到(
‑
6，6)的范围之间。即
‑
446k/s对应的是
‑
6， 446k/s对应的是6。对于稳态情况，随机写达到稳态时iops的经验值为90k/s，所以误差对应的映射范围为(
‑
90k/s， 446k/s)，因为设定值的误差最大范围在该范围内波动。同理，误差变化率为误差范围的两倍，为(
‑
180k/s， 892k/s)。
31.在一些实施方式中，所述对所述误差和所述误差变化率进行量化包括：根据每秒
读写次数值的变化范围建立误差范围与量化范围之间的第一对应关系，并建立误差变化率与量化范围之间的第二对应关系；以及根据所述第一对应关系和所述误差得到误差量化值，并根据所述第二对应关系和所述误差变化率得到误差变化率量化值。例如，利用映射关系e＝e/((n/2)*24)可以求出映射之后在(
‑
6， 6)范围内的映射误差(n＝7，隶属度个数)：e＝
‑
3/((7/2)*24)＝
‑
0.04。
32.模糊化首先确定对应各语言变量的模糊子集，然后根据量化的结果，就可以判断该输入所属的集合并计算出对应的隶属度。计算隶属度的方法有很多，最常用的是使用三角形隶属度函数或梯形隶属度函数等来计算获得。本发明将模糊子集定义成负大[nb]、负中[nm]、负小[ns]、零[zo]、正小[ps]、正中[pm]、正大[pb]七个子集，将误差和误差变化率的映射范围(
‑
6，6)与模糊子集对应上。
[0033]
在一些实施方式中，所述将量化后的误差和误差变化率进行模糊化包括：分别确定所述误差和所述误差变化率的模糊子集，并计算所述模糊子集中的每个元素的隶属度。
[0034]
在一些实施方式中，所述计算所述模糊子集中的每个元素的隶属度包括：根据三角隶属度函数分别得到所述误差量化值的模糊子集对应的第一隶属度和所述误差变化率量化值的模糊子集对应的第二隶属度。
[0035]
例如，误差的模糊子集为ns和zo。图2示出的是本发明实施例利用三角形隶属度函数计算隶属度的示意图。如图2所示，ns的隶属度为0.02，zo的隶属度为0.98。同理可得ec的模糊子集为ps和zo，隶属度为0.1和0.9。
[0036]
基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数。
[0037]
对pid参数k
p
比例系数，k
i
积分系数，k
d
微分系数设计模糊规则，因为模糊控制器需要输出这三个系数用来给pid控制器计算。所以我们需要根据这三个参数的调整对系统的影响，建立我们对iops控制的规则库，即我们根据误差或者误差变化率的隶属度来判断三者的调整方向及模糊值。
[0038]
对于k
p
比例系数的规则设计，根据经验需要在前期调节时使用较大值，调节中期使用较小值，调节后期使用较大值。所以设计规则如下：
[0039][0040]
对于k
i
积分系数的规则设计，根据经验需要在前期调节时使用较小值或者为0，调节中期使用应该尽量不影响稳定性，需要作用适中，在调节后期需要增大积分作用，需要使用较大值，所以对于k
i
积分系数的设计规则如下：
[0041][0042]
对于k
d
微分系数的规则设计，根据经验需要在前期调节时使用较大值避免超调，调节中期尽量不改变微分系数，在调节后期需要减小微分系数，所以对于k
d
微分系数的设计规则如下：
[0043][0044]
在一些实施方式中，所述基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数包括：根据所述误差和所述误差变化率的模糊子集确定所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集；以及根据所述误差和所述误差变化率的模糊子集的隶属度计算所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集中每个元素的隶属度。
[0045]
例如，对于比例系数k
p
，e的模糊子集为ns和zo，ec的模糊子集为ps和zo，比例系数对应的表中两者的交集即为比例系数的模糊子集，也即是ps、ns和zo。zo的隶属度为0.98*0.9 0.02*0.1＝0.884；ps的隶属度为0.02*0.9＝0.018；ns的隶属度为0.98*0.1＝0.098。
[0046]
在一些实施方式中，所述基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数包括：根据隶属度函数和所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集中每个元素的隶属度确定所述比例系数、积分系数和微分系数的值。
[0047]
在一些实施方式中，所述基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数包括：将所述量化范围映射到第二量化范围，并根据所述第二量化范围计算所述比例系数、积分系数和微分系数的值。
[0048]
可以根据误差和误差变化率的输入判断出pid三个参数的模糊值，k
p
比例系数，k
i
积分系数，k
d
微分系数的模糊集合和其他参数一致，k
p
比例系数的映射范围是(
‑
10，10)，k
i
积分系数的范围(
‑
3，3)，k
d
微分系数的范围还是(
‑
0.5，0.5)。例如可以将图2中的横轴由(
‑
6，6)改成(
‑
10，10)来求比例系数的值。
[0049]
根据所述比例系数、积分系数和微分系数得到调节每秒读写次数值，并根据所述调节每秒读写次数值对所述实际每秒读写次数值进行调节。
[0050]
上面步骤求出的kp，ki，kd代入下面公式，
[0051]
δu0(n)＝k
p
[e(n)
‑
e(n
‑
1)] k
i
e(n) k
d
[e(n)
‑
2e(n
‑
1) e(n
‑
2)]
[0052]
u
(k)
＝δu
(k)
u
(k
‑
1)
[0053]
其中，δu
(k)
与δu0(n)等同。e(n)表示第n次采样的iops值，u
(k)
是第k次计算的iops值，δu0(n)是通过pid公式计算的当前采样数据和之前采样数据的偏差量。将计算得到的u
(k)
传送给写仲裁，用来调节下一次的iops。
[0054]
本发明实施例通过使用模糊pid控制对ssd的随机写iops进行控制，将对ssd的随机写iops的输出叠加到输入当中，从而达到随机写iops设定值，通过该控制可以快速达到设定稳态值，可以释放查找管理模块部分写占用的资源，从而对读需求进行资源增加，提高读性能。
[0055]
需要特别指出的是，上述提高固态硬盘读性能的方法的各个实施例中的各个步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换之于提高固态硬盘读性能的方法也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在实施例之上。
[0056]
基于上述目的，本发明实施例的第二个方面，提出了一种提高固态硬盘读性能的系统，包括：第一计算模块，配置用于设置目标每秒读写次数值，获取固态硬盘实际每秒读写次数值，根据所述实际每秒读写次数值和所述目标每秒读写次数值计算得到误差，并根据所述误差得到误差变化率；量化模块，配置用于对所述误差和所述误差变化率进行量化，并将量化后的误差和误差变化率进行模糊化；第二计算模块，配置用于基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数；以及调节模块，配置用于根据所述比例系数、积分系数和微分系数得到调节每秒读写次数值，并根据所述调节每秒读写次数值对所述实际每秒读写次数值进行调节。
[0057]
在一些实施方式中，所述量化模块配置用于：根据每秒读写次数值的变化范围建立误差范围与量化范围之间的第一对应关系，并建立误差变化率与量化范围之间的第二对应关系；以及根据所述第一对应关系和所述误差得到误差量化值，并根据所述第二对应关系和所述误差变化率得到误差变化率量化值。
[0058]
在一些实施方式中，所述量化模块配置用于：分别确定所述误差和所述误差变化率的模糊子集，并计算所述模糊子集中的每个元素的隶属度。
[0059]
在一些实施方式中，所述量化模块配置用于：根据三角隶属度函数分别得到所述误差量化值的模糊子集对应的第一隶属度和所述误差变化率量化值的模糊子集对应的第二隶属度。
[0060]
在一些实施方式中，所述第二计算模块配置用于：根据所述误差和所述误差变化率的模糊子集确定所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集；以及根据所述误差和所述误差变化率的模糊子集的隶属度计算所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集中每个元素的隶属度。
[0061]
在一些实施方式中，所述第二计算模块配置用于：根据隶属度函数和所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集中每个元素的隶属度确定所述比例系数、积分系数和微分系数的值。
[0062]
在一些实施方式中，所述第二计算模块配置用于：将所述量化范围映射到第二量化范围，并根据所述第二量化范围计算所述比例系数、积分系数和微分系数的值。
[0063]
基于上述目的，本发明实施例的第三个方面，提出了一种计算机设备，包括：至少
一个处理器；以及存储器，存储器存储有可在处理器上运行的计算机指令，指令由处理器执行以实现如下步骤：s1、设置目标每秒读写次数值，获取固态硬盘实际每秒读写次数值，根据所述实际每秒读写次数值和所述目标每秒读写次数值计算得到误差，并根据所述误差得到误差变化率；s2、对所述误差和所述误差变化率进行量化，并将量化后的误差和误差变化率进行模糊化；s3、基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数；以及s4、根据所述比例系数、积分系数和微分系数得到调节每秒读写次数值，并根据所述调节每秒读写次数值对所述实际每秒读写次数值进行调节。
[0064]
在一些实施方式中，所述对所述误差和所述误差变化率进行量化包括：根据每秒读写次数值的变化范围建立误差范围与量化范围之间的第一对应关系，并建立误差变化率与量化范围之间的第二对应关系；以及根据所述第一对应关系和所述误差得到误差量化值，并根据所述第二对应关系和所述误差变化率得到误差变化率量化值。
[0065]
在一些实施方式中，所述将量化后的误差和误差变化率进行模糊化包括：分别确定所述误差和所述误差变化率的模糊子集，并计算所述模糊子集中的每个元素的隶属度。
[0066]
在一些实施方式中，所述计算所述模糊子集中的每个元素的隶属度包括：根据三角隶属度函数分别得到所述误差量化值的模糊子集对应的第一隶属度和所述误差变化率量化值的模糊子集对应的第二隶属度。
[0067]
在一些实施方式中，所述基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数包括：根据所述误差和所述误差变化率的模糊子集确定所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集；以及根据所述误差和所述误差变化率的模糊子集的隶属度计算所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集中每个元素的隶属度。
[0068]
在一些实施方式中，所述基于模糊化后的结果计算出比例系数、积分系数和微分系数包括：根据隶属度函数和所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集中每个元素的隶属度确定所述比例系数、积分系数和微分系数的值。
[0069]
在一些实施方式中，所述根据隶属度函数和所述比例系数、积分系数和微分系数的模糊子集中每个元素的隶属度确定所述比例系数、积分系数和微分系数的值包括：将所述量化范围映射到第二量化范围，并根据所述第二量化范围计算所述比例系数、积分系数和微分系数的值。
[0070]
如图3所示，为本发明提供的上述提高固态硬盘读性能的计算机设备的一个实施例的硬件结构示意图。
[0071]
以如图3所示的装置为例，在该装置中包括一个处理器201以及一个存储器202，并还可以包括：输入装置203和输出装置204。
[0072]
处理器201、存储器202、输入装置203和输出装置204可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。
[0073]
存储器202作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本技术实施例中的提高固态硬盘读性能的方法对应的程序指令/模块。处理器201通过运行存储在存储器202中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的提高固态硬盘读性能的方法。
[0074]
存储器202可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系
统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据提高固态硬盘读性能的方法的使用所创建的数据等。此外，存储器202可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器202可选包括相对于处理器201远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至本地模块。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0075]
输入装置203可接收输入的用户名和密码等信息。输出装置204可包括显示屏等显示设备。
[0076]
一个或者多个提高固态硬盘读性能的方法对应的程序指令/模块存储在存储器202中，当被处理器201执行时，执行上述任意方法实施例中的提高固态硬盘读性能的方法。
[0077]
执行上述提高固态硬盘读性能的方法的计算机设备的任何一个实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。
[0078]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有被处理器执行时执行如上方法的计算机程序。
[0079]
如图4所示，为本发明提供的上述提高固态硬盘读性能的计算机存储介质的一个实施例的示意图。以如图4所示的计算机存储介质为例，计算机可读存储介质3存储有被处理器执行时执行如上方法的计算机程序31。
[0080]
最后需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关硬件来完成，提高固态硬盘读性能的方法的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，程序的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(rom)或随机存储记忆体(ram)等。上述计算机程序的实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。
[0081]
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
[0082]
应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。
[0083]
上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0084]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0085]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实
施例的保护范围之内。