CN100375154C - 用于向硬盘驱动器的带中写入数据的系统和方法 - Google Patents

Abstract

使用重叠写入原理将数据写入硬盘驱动器中，也就是说，当紧邻的数据轨道被写入时，每个数据轨道被部分地覆写。两个或更多相邻的数据轨道建立一个带，并且带可以存储来自一个且只有一个文件例如AV文件的数据。

Description

用于向硬盘驱动器的带中写入数据的系统和方法

技术领域

本发明涉及硬盘驱动器。

背景技术

在现有的硬盘驱动器中，数据通过定位在旋转盘上方的磁记录头写入同心圆轨道。磁记录头由在写入期间使用的写入磁头元件和在读取期间使用的读取磁头元件组成。在写入期间，盘上方的磁记录头的位置由伺服机械反馈环精确控制，使得被写入的数据轨道不重叠。每个轨道的宽度取决于写入磁头元件的宽度。每个轨道的中心间隔(也称为轨道间距)稍大于轨道宽度，并且由保持磁头适当地定位在盘上方的伺服机械控制系统确定。每个轨道由宽度等于轨道间距减去轨道宽度的保护带(guard band)与其相邻轨道分开。在回读期间，记录头中的回读元件被精确地定位在单个轨道上方。回读元件的宽度通常等于或小于写入轨道的宽度，以便读取磁头元件检测只来自该单个轨道而非来自相邻轨道的信号。

对于现有的硬盘驱动器，每个轨道可以随时被随机地写入而不扰乱在任何其它轨道上的数据。随机存取在盘表面上的数据的能力是硬盘驱动器的重要特性，其不被所有数据存储系统共享。

在通过引用合并于此的美国专利第6185063号中，对以部分重叠的方式写入轨道的方法进行了描述。这种重叠写入的方式可以称为“重叠(shingled)轨道”写入。具体地讲，利用重叠轨道写入，写入数据轨道使得每个被写入的轨道与与其相邻的紧邻轨道部分重叠，就像瓦片屋顶上的瓦片一样。这样，当与第一轨道相邻的第二轨道被写入时，第一轨道被部分地覆写，当与第二轨道相邻的第三轨道被写入时，第二轨道被部分地覆写，等等。

正如在此所认识到的，与上述传统途径不同，有利的是，写入磁头的宽度可以显著地大于重叠轨道写入中的轨道间距，而回读磁头元件的宽度可以稍小于轨道间距，所以回读磁头仍然检测只来自单个轨道而非来自相邻轨道的信号。

本发明认识到，出于在下文中讨论得更加充分的原因，尽管重叠写入可以导致更高的数据存储密度，但它可能不允许随机存取写入任何任意的轨道，因为要重新写入一个轨道可能还必然要覆写存储在随后的相邻轨道上的一些信息。本发明认识到，使用多步过程来更新轨道上的数据是可能的，其中来自相邻轨道的数据被复制到别处，所期望的轨道被重新写入，然后相邻轨道被恢复到其原始状态。然而，不再有可能在单个步骤中更新任何任意轨道上的数据，所以存储机制的一部分随机存取性质被牺牲了。正如由本发明而非上面引用的专利所关键性地认识到的，结果是使用重叠轨道写入的盘驱动器可能需要与传统的硬盘驱动器不同种类的文件系统结构。

发明内容

一种硬盘驱动器(HDD)包括至少一个可旋转盘和至少一个被配置用于潜在地使用垂直记录原理向盘写入数据的写入元件。使用重叠写入而部分重叠的两个或更多相邻轨道组成带。HDD的存储区域可以被划分成孤立(isolated)的轨道和轨道的带，其中在每个带中使用重叠写入。HDD控制器控制写入元件，使得不多于一个数据文件或由音频和/或视频数据组成的音频-视频(AV)数据流被写入到带上。这样，单个文件或AV数据流可以跨越多于一个带，但是单个带不存储来自多于一个数据文件或AV数据流的数据。

在下面公开的优选实施例中，孤立的轨道可被用来存储需要快速随机存取的数据，而轨道的带被用来存储需要快速顺序存取的数据，尤其是AV数据。对于AV数据的情况，数据以AV事务块的形式被传送给主机并从其传出，该AV事务块小于带的大小，而大于盘驱动器上单个物理扇区的大小。控制器可以为每个文件或AV流存储与之相关的带的列表。

在另一方面，数据存储系统包括至少一个数据存储盘、至少一个被配置用于向盘写入数据的写入元件、以及控制写入元件将数据写入到盘的带上的控制器。每个带包含不多于一个数据文件或一个AV流，并且每个带由至少两个相邻的数据轨道建立。

在再一方面，硬盘驱动器包括用于在带中或在孤立的数据轨道中保存数据的盘存储装置，以及用于向该盘存储装置中写入数据的装置。还提供了装置用来控制写入装置，以便来自一个且只有一个文件或AV数据流的数据被写入到带上。

在另一方面，硬盘驱动器包括用于向盘写入数据的装置，以及用于计算所写入的数据的纠错码奇偶校验(parity)的装置。提供了装置用来控制写入装置、以便来自第一写入操作的纠错码奇偶校验被用来产生用于在第一写入操作之后的第二写入操作的纠错码奇偶校验。

附图说明

本发明的细节，关于其结构和操作，可以参照附图最好地予以理解，其中相同的标号表示相同的部件，并且其中：

图1是示出了在盘的内径(ID)和外径(ID)附近的致动器(actuator)臂的硬盘驱动器的示意图；

图2是部分断开的盘的重叠数据轨道的透视示意图；

图3是使用相邻重叠轨道的带的数据存储架构的示意图；和

图4是与读取并向盘写入多个音频视频(AV)流的主机设备相结合的盘驱动器的方框图。

具体实施方式

首先参照图1，示出了被在总体上指定为10的数据存储系统，包括一个或更多(为清楚起见只示出一个)可旋转硬盘12，数据可以由安装在致动器臂16上的读取/写入磁头14写入到其上并且从其读取，致动器臂16用于在盘12上方、在盘12的数据存储区域20的内径(ID)18(在磁头14的位置22示出)和存储区域20的外径24(在磁头14的位置26示出)之间移动磁头14。磁头14和致动器16可由处理器例如硬盘驱动器(HDD)控制器28控制，该处理器依照本原理执行下述的重叠写入和文件架构。控制器28也可以存取固态数据高速缓冲存储器或缓冲器30。

依照本领域所知的HDD原理并且如同图1所象征性地示出的，磁头14可包括写入元件32和读取元件34。磁头14可被配置用于纵向记录或用于垂直记录。

如图2所示，数据被以重叠的方式写入数据存储区域20。更具体地讲，当数据被写入到第二数据轨道38时，第一(在所示的示例中，最外面的)数据轨道36被与该第一数据轨道36、正好是第一轨道36的内侧紧邻的(即相邻的)第二数据轨道38重叠。依次地，当数据被写入到与第二数据轨道38相邻的第三数据轨道40时，第二数据轨道38被第三轨道重叠。类似地，当数据被写入到与第三数据轨道40相邻的第四数据轨道42时，第三数据轨道40被第四轨道重叠。当数据被写入到与第四数据轨道42相邻的第五数据轨道44时，第四数据轨道42被第五轨道重叠。如果第五轨道44是带中的最末轨道，那么它不会被任何其它轨道重叠。应当理解的是，重叠的模式可以反过来，也就是说，第一轨道36可以覆盖第二轨道38而非垫在其下，等等。尽管为了公开清楚起见只示出了五个数据轨道，但盘12可以包含部分重叠轨道的更多带，以及不与其它轨道重叠、并且不是带的一部分的孤立轨道。

依照本发明，通过以部分重叠方式写入的至少两个相邻数据轨道来建立带。在优选实施例中，依赖于系统需要，数据存储区域20或其一部分可以被细分为多个带和/或孤立的轨道，每个带中轨道的数量不同。这样，如果某些数据需要随机存取写入，那么该数据可被存储在孤立的轨道中。当不需要随机存取写入时，如在存储AV文件的情况中，可以使用每个带的很多轨道。

同样如图2所示，图1中示出的写入元件32的宽度“W”大于轨道间距“P”(基本上，是数据轨道的宽度的非重叠部分)。然而，读取元件34的宽度稍小于轨道间距P，以便读取元件34只读取来自单个轨道的信号。利用相对宽的写入元件宽度“W”，写入元件32可以在盘12产生更高的场(field)，允许盘矫顽力增大及颗粒尺寸减小，导致整个记录密度增大。

上述结构的组合提供的第二优点是轨道间距“P”不需要与写入磁头宽度“W”直接相关(除了带中的最末轨道)，以便可以放松限制写入磁头宽度“W”的容差。第三优点是可以调整轨道间距“P”以获得写入磁头的宽度的最佳性能。因为可以对由于在磁头制造中的过程控制容差而引起的读取磁头宽度的变化进行处理，所以这提高了驱动器和磁头组件的成品率，

图3进一步详细图示了上述公开的带状存储。按照所示，数据存储区域20的第一部分46可包括存储在孤立轨道或者轨道的带中的文件系统元数据。这是由文件系统使用来描述盘上的数据布局的数据。该部分46可以按照所示占用盘的内侧部分或者其可以占用中间部分或其它部分。由多个相邻的同心重叠数据轨道组成的第一环形数据带48可以呈放射状地建立在元数据部分的外侧，而第二带50可以建立在第一带48的外侧。在盘12上可以建立很多带，直到第N数据带52。

每个带48、50...52存储仅来自单个AV数据流或文件的数据，以便简化文件系统元数据的管理。对于每个写入流，按照所需分配新的带，直到该流已经被完全写入到盘上。如果当该流已经结束写入时最后为流分配的带只是部分写满，那么在该带中的剩余存储空间不被使用。根据轨道的数量，带的大小可以依赖于系统需要而动态地建立，或者该大小可以在驱动器格式化期间固定。

将AV数据传送给主机并从该主机传出所使用的事务块的大小远大于物理扇区(典型地是512字节)，但是远小于带。这意味着在正常操作期间，当一次同时为超过一个AV流服务时，控制器28使磁头14逐个带来回查找，交叉进行写入和从不同的流读出。

如图3所示，依照上述讨论的存取模式可以被示出，其用于当盘驱动器为存储在带48、50和52中的三个AV流服务时的情况。在从第一AV流存取第一带48中的AV数据的块之后，盘驱动器查找到第N带52，如连线54所示，在那里其从第二流存取数据的块。在用于第二流的“特技”播放(例如快进)的情况中，多个数据的块可以从第N带52顺次被存取，如环56所示。然后无论在什么情况中，如连线58所示，驱动器查找到第二带50，在那里其从第三流存取数据的块，然后返回第一带48，如连线60所示，在那里其按顺序为第一AV流存取下一块。

这种数据布局模式的优点是，当以高于正常的速度读回或写入所述流的一个或更多时，系统性能得以改善，这是在当流正在播放时允许用户快进或快倒的所谓的“特技播放”情形中的重要考虑。对于大于正常播放速率的三倍的快进速度，该AV系统可以跳跃经过AV数据流而不读取全部数据，而对于达到正常播放速率的三倍的快进速度，通常以高速读取全部AV流数据，如果还有其它流要服务，那么这是个有挑战性的任务。在本架构中，当以比正常更快的速率读取或写入流时，盘驱动器只需要在查找到下一个带之前从对应于那个流的带上读取更多的数据。如果AV数据块任意地分布在盘的表面上，那么将需要进行更多的查找并且将不再具有这一优点。

此外，因为需要每个带只包含来自单个文件或者单个AV数据流的数据，文件系统元数据被简化。用来存储每个进入的AV内容流的带的顺序被记录，最好是在表中。盘上的带足够大以存储相当于几秒到几分钟的AV内容。这意味着每个带的存储容量很大，并且盘上的带的数目足够小以便可以在随机存取存储器(RAM)中管理相应的元数据。

在非限制性实施例中，对于用来以每秒四百万比特存储视频内容的200G字节的盘驱动器，可以使用十兆字节的带的大小。在此示例中，盘上大约有两万个带，每个带保存大约20秒的视频内容。对于存储在盘上的每个AV流或数据文件，可以维护带标识符的列表，以指明数据存储的位置。用来存储此信息所需的RAM中的空间量是四万字节，这是可被轻易地缓存在主机系统存储器中的数据量，其导致了非常快的元数据处理。在此情况中事务块的大小可以是大约一兆字节，使得每个带将包含很多事务块。

如果期望的话，为了防止系统崩溃，元数据信息可以被周期性地写入到盘上。一种途径是在盘上保存两份元数据副本，并交替地写入每个副本。以便执行用于元数据更新的事务行为，并且还提供冗余的元数据以防盘损坏。另一途径是使用日志数据结构，用来将对元数据的改变以现代文件系统和数据库使用的方式记录为事务，以便保证在文件系统元数据上更新的原子数(atomicity)。

除了为每个AV流或数据文件存储数据所在的带的列表之外，文件系统元数据也可以包括盘上的空闲带的位图。盘空间管理很简单。当删除流或文件时，用于存储那些数据的全部带被释放一空，此变化被反映在空闲空间位图中。元数据也可以存储由AV应用需要的其它信息，例如时间戳和内容描述。

在优选实施例中，AV数据以大事务数据块(大于信息技术应用中使用的标准的512字节的块大小，但是小于带的大小)的形式被传送给盘驱动器并从其传出。在此情况中，盘驱动器可以随意使用大物理扇区以提高格式化效率，还可使用大的ECC码字大小(大于事务块大小)，以提高可靠性而不给系统施加读取-修改-写入性能。为了做到这一点，盘驱动器在每个事务块的连续部分写入之间保存累积的ECC奇偶校验状态，以便在第一写入操作中计算的奇偶校验被用来产生后续写入操作的奇偶校验。

带着这些特征，事务块大小可以是一兆字节，并且ECC可以跨越整个带。每次写入事务块的时候，随着逐渐将带写满，累积的用于ECC的奇偶校验状态被维护，以便在该带中的最末事务块的末端可以写出ECC奇偶校验。这提供了非常长的ECC块大小，并因此提供了非常有效的ECC码，其对缺陷和错误具有恢复能力。该ECC码可以非常简单，例如通过将带中所有物理扇区进行异或运算计算所得的单个奇偶校验扇区。这提供了防止带中单个扇区故障的保护。

具体地说，对于AV应用，硬盘驱动器具有同时存储和检索一个或更多AV内容的流的能力，如同上面所提及的一样。这是因为AV应用典型地由对盘的非常大的多扇区写入和读取来支配。图4示出了主机系统62，其可以使用所示的用于此任务的本HDD。

示例的非限制性主机系统62可以包括第一和第二写入缓冲器64、66，它们接收各自的输入流，用于按照上文所讨论的将其写入到盘12上。主机系统62还可包括读取缓冲器68，其将从盘12读取的数据发送给MPEG解码器70，用来在显示器72上显示AV节目。主机62和HDD之间的数据传送可以在缓冲器64、66、68之间多路复用，如由主机62和HDD的数据传送接口总线74之间的开关机构72所示意性地示出的一样，还如在上文中参照图3所阐述的一样。

尽管如同在此示出并详细描述的、用于向HDD带中写入数据的具体的系统和方法完全能够达到本发明的上述目标，但应当理解的是，它是本发明目前的优选实施例，从而代表由本发明所广泛考虑的主题，本发明的范围完全包括其它对本领域技术人员可变得显而易见的实施例，并因此本发明的范围不受除了所附权利要求之外的任何物限制，其中除非明确地说明，否则单独提到一个元件不意欲意味着“一个且只有一个”，而是“一个或更多”。设备或方法没有必要解决由本发明寻求解决的每一个问题，因为其将被本权利要求包含。此外，在本说明中没有元件、组件或方法步骤意欲专门呈献给公众，不论是否在权利要求中明确叙述了该元件、组件或方法步骤。没有权利要求元件将在此被解释在35U.S.C.§112第六段的规定下，除非使用短语“用于...的装置”明确地阐述该元件，或者在方法权利要求的情况中，该元件被作为“步骤”而不是“动作”进行阐述。在此欠缺的表达定义、权利要求术语将被赋予与本说明书和文件历史不相矛盾的全部普通和惯常的含义。

Claims (27)

1.一种硬盘驱动器，包括：

至少一个可旋转盘；

至少一个写入元件，其被配置用来向盘的轨道中写入数据，其中至少两个相邻的轨道建立一个带；以及

至少一个硬盘驱动器控制器，其控制所述写入元件，该控制器使单个数据文件和单个音频视频数据流的仅仅之一被写入到带上。

2.如权利要求1所述的硬盘驱动器，其中至少一些带包括至少三个相邻轨道。

3.如权利要求1所述的硬盘驱动器，其中所述轨道彼此同心。

4.如权利要求1所述的硬盘驱动器，其中所述写入元件被配置用于垂直记录。

5.如权利要求1所述的硬盘驱动器，其中第一带具有第一数量的轨道并且第二带具有与该第一带不同的第二数量的带。

6.如权利要求1所述的硬盘驱动器，其中孤立的轨道被用来存储需要随机写入存取的数据，并且带被用来存储需要顺序写入存取的数据。

7.如权利要求1所述的硬盘驱动器，其中至少一个带包含来自一个且只有一个音频视频数据流的数据。

8.如权利要求7所述的硬盘驱动器，其中用来存储音频视频数据的所述带的大小大于音频视频事务块的大小，该事务块的大小大于扇区的大小。

9.如权利要求1所述的硬盘驱动器，其中至少一些轨道是重叠的。

10.如权利要求1所述的硬盘驱动器，其中所述控制器为每个文件或音频视频数据流存储与之相关的带的列表。

11.一种数据存储系统，包括：

至少一个数据存储盘；

至少一个写入元件，其被配置用于向盘写入数据；以及

至少一个控制器，其控制写入元件，以将数据至少写入到盘的带上，每个带包含仅一个数据文件或一个音频视频数据流，每个带由至少两个相邻的数据轨道建立。

12.如权利要求11所述的系统，其中至少一些轨道是重叠的。

13.如权利要求11所述的系统，其中至少一些带包括至少三个相邻轨道。

14.如权利要求11所述的系统，其中所述写入元件被配置用于垂直记录。

15.如权利要求11所述的系统，其中第一带具有第一数量的轨道，并且第二带具有与该第一带不同的第二数量的轨道。

16.如权利要求11所述的系统，其中孤立的轨道被用来存储需要随机写入存取的数据，并且带被用来存储需要顺序写入存取的数据。

17.如权利要求11所述的系统，其中至少一个带包含来自一个且只有一个音频视频数据流的数据。

18.如权利要求17所述的系统，其中至少一个用于存储音频视频数据的带的大小大于音频视频事务块的大小，所述事务块的大小大于扇区的大小。

19.如权利要求11所述的系统，其中所述控制器为每个文件或音频视频数据流存储与之相关的带的列表。

20.一种硬盘驱动器，包括：

盘存储装置，用于将数据保存在带和孤立的轨道的至少一个中，每个带通过至少两个相邻的数据轨道来建立；

用于向盘存储装置写入数据的装置；以及

用于控制所述写入装置的装置，以便来自单个文件和单个音频视频数据流之一的数据被写入到盘存储装置的带上。

21.如权利要求20所述的硬盘驱动器，其中所述控制装置使所述写入装置写入重叠的轨道。

22.如权利要求21所述的硬盘驱动器，其中所述写入装置被配置用于垂直记录。

23.如权利要求21所述的硬盘驱动器，其中第一带具有第一数量的轨道，并且第二带具有与该第一带不同的第二数量的轨道。

24.如权利要求21所述的硬盘驱动器，其中所述盘存储装置被划分成孤立的轨道和轨道的带。

25.如权利要求21所述的硬盘驱动器，其中音频视频数据被存储在至少一个带中。

26.如权利要求25所述的硬盘驱动器，其中所述带的大小大于音频视频事务块的大小。

27.如权利要求21所述的硬盘驱动器，其中所述控制装置为每个文件或音频视频数据流存储与之相关的带的列表。

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