CN100422967C - 具有动态随机存取存储器和闪存的硬盘驱动器 - Google Patents

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Abstract

一种移动计算硬盘驱动器既具有闪存设备也具有DRAM设备，既在写请求到达时也在HDD空闲时，利用HDD控制器管理盘、DRAM和闪存之间的数据存储，以优化闪存设备寿命和系统性能。

Description

具有动态随机存取存储器和闪存的硬盘驱动器
技术领域
本发明涉及硬盘驱动器。
背景技术
硬盘驱动器(HDD)通常既包括盘存储器又包括用于临时保持在盘和主机之间传输的数据的被称作“缓存”的固态存储器。按照惯例，缓存是动态随机存取存储器(DRAM)，一种可以经历大量写/擦除周期并且具有通向和来自盘的非常高的数据传输速率的易失形式的存储器。
随着电池供电的移动计算机的出现，已提供了一些HDD，其中当HDD在一段时间中不活动时盘停转(spin down)(停止旋转)。这样做的主要目的是为了延长计算机的电池寿命。当使盘驱动器停转到备用模式而只有电子装置活动(electronics active)时，节约了电池电力。但是，如本文认识到的，当必须将数据写到盘中时，盘必须起转(spin up)以使得该写操作能够发生，这消耗大量的电池电力。如果这频繁发生，则不能实现节电。
据此，本发明理解一种解决方案是将该写数据缓存到DRAM，并然后在某稍后时间将缓存数据离台(destage)到盘。如本发明进一步理解的，因为DRAM是易失性存储器，所以如果HDD在将缓存数据离台到盘之前掉电则可能不幸地丢失DRAM中的数据。
据此，已经提出了在移动盘驱动器中用非易失性闪存代替DRAM存储器。因为闪存是非易失性的，所以如果掉电，存储在闪存中的数据将不会丢失。此外，闪存通常比类似尺寸的DRAM存储器具有显著更多的存储容量，例如，与小DRAM芯片的约8MB的容量相比，小闪存芯片目前可以存储约128MB，这意味着当使用闪存时，延长了盘可以停留在备用模式的时间周期。
但是，如本文挑剔认识到的，在移动HDD中用闪存代替DRAM存在两个缺点。首先，闪存的数据传输速率比可以超过100到200MB/s的驱动器-主机接口总线带宽的DRAM的速率慢得多。相反，闪存的典型数据传输速率可以慢到2MB/s。结果，当使用闪存替代DRAM时，大大降低了盘驱动器性能。第二个缺点是闪存具有有限次的写周期。如果闪存用作常规写缓存，则其寿命可以很快耗尽。尽管美国专利第6,295,577号描述了一种在掉电的情况下将DRAM数据保存到闪存的方法，但是其未能理解依赖于这里预期的环境，可能出现在盘操作期间和/或没有掉电时也使用闪存的需求。
发明内容
一种硬盘驱动器(HDD)包括至少一个存储数据的盘和盘控制器。该HDD还包括动态随机存取存储器(DRAM)设备和闪存设备。盘控制器通过执行下述逻辑管理数据存储，该逻辑包括接收写请求，并且响应地确定DRAM设备是否满。如果DRAM设备没有满，则将数据写到DRAM设备以满足该写请求。否则，至少在某个时间，该逻辑可以包括确定该闪存设备是否满，并且如果没有满，则将数据从DRAM设备离台到闪存设备，并且然后将数据写到DRAM设备以满足该写请求。否则，如果闪存设备满了，则如果盘还没有转，则使盘起转并且将数据从闪存设备离台到盘。然后，可以将数据从DRAM设备离台到闪存设备以释放DRAM设备，从而可以将数据写到DRAM设备以满足写请求。
如果需要，则在确定闪存设备是否满之前，可确定该盘是否在转，应该理解在一些实现中可以由用户选择是否执行该选项。这些实现中，如果盘在转，则可以将数据从DRAM设备离台到盘，并且然后将数据写到DRAM设备以满足写请求。
此外，当没有I/O请求未决(pending)时，控制器可以确定该盘是否在转，并且如果该盘没有在转，则将存储在DRAM设备中的数据离台到闪存设备。否则，如果该盘在转，则控制器将存储在DRAM设备中的数据离台到盘。相反，如果该盘在转并且DRAM设备为空，则可以将存储在闪存设备中的数据直接离台到盘。
在另一方面，一种芯片被配置为放置在具有至少一个盘的硬盘驱动器(HDD)中。该芯片包括用于如果该盘没有在转则将数据从DRAM设备离台到闪存设备的部件。该芯片还包括用于如果该盘在转则将数据从闪存设备离台到盘的部件。
在另一方面，一种计算机程序产品可由处理装置执行，以在电力可用于硬盘驱动器(HDD)时，既在盘转时也在盘不转时，管理HDD中的数据存储，该HDD具有至少一个可转动的盘、非易失性固态存储设备、和易失性固态存储设备。
附图说明
通过参考附图可以极好地理解关于本发明的结构和操作方面的细节，附图中相同的附图标记表示相同的部分，并且其中：
图1是本硬盘驱动器(HDD)的方框图；
图2是写逻辑的流程图；以及
图3是当没有写操作未决时的数据离台逻辑的流程图。
具体实施方式
首先参考图1，示出了一般以10标示的硬盘驱动器(HDD)，该HDD具有外壳11，该外壳11保持可以包括微控制器和/或由微控制器实现的硬盘驱动器控制器12。该控制器12可以访问计算机程序设备或者产品中的电子数据存储器，例如但不限于可以用固态存储设备实现的微码存储器14。微码存储器14可以存储包含下述逻辑的微码。
HDD控制器12控制包括用于将数据写到一个或多个盘18上的一个或多个头的读/写机构16。HDD 10的非限制性的实现包括多个头和多个盘18，并且每个头与其中用于读取盘18上的数据的相应读元件和用于将数据写到盘18上的相应写元件相关联。
HDD控制器12通过内部HDD总线24与优选是动态随机存取存储器(DRAM)设备20的固态易失性存储器和优选是闪存设备22的固态非易失性存储器通信。HDD控制器12还根据本领域公知的HDD原理通过主机接口模块26与外部主机25通信。该主机25可以是可由电池供电的便携式计算机，使得HDD 10可以是移动HDD。
如上所述，可以将下面公开的逻辑包含在与HDD控制器12分开的代码存储器14中，或者可以将存储器14集成到控制器12中。或者，可以将存储器14包含在读/写机构16中、或在DRAM 20或闪存设备22上。该逻辑可以通过上述组件分布，并且可以以硬件逻辑电路和/或软件逻辑电路实现。
图2示出了本写逻辑。在状态28开始，写命令到达HDD控制器。作为响应前进到判决菱形30，确定DRAM 20是否满了。确定存储设备是否“满”意味着：确定该设备是否容量满了并确定该设备是否剩余有足够未使用的容量来保持所请求要写的数据，或者仅确定该设备是否剩余有足够未使用的容量来保持所请求要写的数据。如果DRAM没有满，则通过在框32将要写的数据写到DRAM 20而满足该写操作。
另一方面，如果DRAM 20满了，则该逻辑可以前进到判决菱形34，以判断盘18是否在转。“转”意味着盘18是否在转、或者盘18是否只是没有以正常运转速度在转、或者进行另外的适当的转动测试。在任何情况下，如果盘在转，则该逻辑转到框36以将数据从DRAM 20离台到盘18，并然后在框32使用DRAM 20满足该写请求。“离台”意味着移动数据，使得一旦从一个设备移走数据，以前被该数据占据的设备中的空间就可用于存储。
如果在判决菱形34确定该盘没有在转，或者如果在一些实施例中，给予用户跳过判决34的选项，并且用户已进行了该选择，则该逻辑进行到判决菱形38以确定闪存设备22是否满了。如果其没有满，则逻辑前进到框40以将数据从DRAM 20离台到闪存设备22，并然后在框32使用DRAM满足该写请求。另一方面，如果在判决菱形38处确定闪存设备满了，则逻辑进行到框42以便如果盘还没有转的话(如果用户选择跳过判决菱形34并且该盘过去一直在转，则盘可能在转)则使盘起转并且将数据从闪存设备22离台到盘18。该逻辑然后在框40将数据从DRAM 20离台到闪存设备22，并且在框32处使用DRAM 20满足该写请求。可选地，该逻辑可以在框36处直接使DRAM 20离台到盘18并且在框32处使用DRAM 20满足该写请求。
图3示出了当在状态44满足预定的输入/输出(I/O)条件时，诸如在队列中没有任何I/O命令时，可以被执行来管理HDD 10中的数据存储的逻辑。前进到判决菱形46，确定盘18是否在转。如果其没有转，则逻辑进行到判决菱形48以确定DRAM 20是否为空，并且如果其为空，则什么也不做并且逻辑在状态50结束。否则，在框52将DRAM 20中的所有数据离台到闪存设备22。
另一方面，如果在判决菱形46确定盘18在转，则逻辑进行到判决菱形54以确定DRAM 20是否为空，并且如果其不为空，则在框56将DRAM 20中的数据离台到盘18。但是，如果盘在转并且DRAM 20为空，则逻辑前进到判决菱形58以确定闪存设备22是否为空，并且如果其为空，则什么也不做并且逻辑在状态60结束。否则，在框62将闪存设备22中的数据离台到盘18。该逻辑可以从框50、52、56和62返回到状态44。
应该理解，在将数据从闪存22离台到盘18的处理中，可以首先将数据从闪存设备22离台到DRAM 20并然后将数据从DRAM 20离台到盘18。可以在闪存22的数据速率低于盘驱动器18的介质速率的情况下，执行该处理。
尽管这里详细示出并描述的特定的既具有DRAM又具有闪存的HDD完全能够达到本发明的上述目的，但是应该理解，其是本发明的当前优选实施例并从而代表本发明广泛预期的主题，本发明的范围完全包括可能对本领域技术人员而言显而易见的其它实施例，并且本发明的范围据此只由所附权利要求来限定，在权利要求中以单数引用元件除非明确说明否则并不意欲表示“一个且只有一个”，而是“一个或多个”。一种设备或方法不必要说明由本发明寻求解决的每个问题，因为在本权利要求书中囊括了这些。此外，本公开中没有任何元件、组件或方法步骤意欲献给公众，不管该元件、组件或方法步骤是否在权利要求中精确细述。所有权利要求中的元件都不应按照35U.S.Cξ112第六段的规定解释，除非该元件使用短语“部件用于”来明确表述，或者在方法权利要求的情况下，该元件被陈述为“步骤”而不是“动作”。在没有明确定义的情况下，权利要求的术语应被赋予不与本说明书和文件历史抵触的所有普通和习惯的含义。

Claims (16)

1. 一种硬盘驱动器HDD，包括：
至少一个存储数据的盘；
至少一个动态随机存取存储器DRAM设备；
至少一个闪存设备；以及
至少一个通过执行下述逻辑管理数据存储的盘控制器，该逻辑包括：
接收写请求；
确定该DRAM设备是否满了，并且如果没有满，则将要写的数据写到DRAM设备以满足该写请求；否则至少在某个时间
确定该闪存设备是否满了，并且如果没有满，则将存储在DRAM设备中的数据离台到闪存设备并且然后将所述要写的数据写到DRAM设备以满足该写请求，否则如果闪存设备满了，则如果盘还没有在转则使盘起转并且将存储在闪存设备中的数据离台到盘，然后将存储在DRAM设备中的数据离台到闪存设备，然后将所述要写的数据写到DRAM设备以满足该写请求。
2. 如权利要求1所述的硬盘驱动器，还包括，如果DRAM设备已满，则在所述确定闪存设备是否满了的动作之前，确定该盘是否在转，并且如果盘在转，则将存储在DRAM设备的数据离台到盘，并且然后将要写的数据写到DRAM设备以满足写请求，否则执行所述确定闪存设备是否满了的动作。
3. 如权利要求2所述的硬盘驱动器，其中，由用户选择是否执行所述确定该盘是否在转的动作。
4. 如权利要求1所述的硬盘驱动器，其中，所述硬盘驱动器是移动硬盘驱动器。
5. 如权利要求1所述的硬盘驱动器，其中所述硬盘驱动器与电池供电的主机进行通信，该主机用于访问所述硬盘驱动器。
6. 如权利要求1所述的硬盘驱动器，其中，所述盘控制器还通过执行下述逻辑来管理数据存储，所述逻辑包括：
确定是否有输入/输出请求等待处理，并且如果没有，则：
确定该盘是否在转，并且如果该盘没有在转并且DRAM设备不为空，则将存储在DRAM设备中的数据离台到闪存设备，否则，如果该盘在转并且DRAM设备不为空，则将存储在DRAM设备中的数据离台到盘；
如果该盘在转并且DRAM设备为空并且闪存设备不为空，则将存储在闪存设备中的数据离台到盘。
7. 一种被配置为放置在具有至少一个盘的硬盘驱动器HDD中的芯片，所述芯片包括：
用于如果该盘没有在转并且DRAM设备不为空、则将存储在DRAM设备中的数据离台到闪存设备的部件；
用于如果该盘在转、DRAM设备为空、并且闪存设备不为空，则将存储在闪存设备中的数据离台到盘的部件；以及
用于如果盘在转并且所述DRAM设备不为空则将存储在DRAM设备中的数据离台到盘的部件，
其中，只有当没有输入/输出请求等待处理时，才调用用于离台的三个部件。
8. 如权利要求7所述的芯片，还包括：
用于接收写请求的部件；
用于响应于该写请求而确定该DRAM设备是否满了、并且如果没有满、则将要写的数据写到DRAM设备以满足该写请求的部件；
用于在DRAM设备已满时确定该闪存设备是否满了、并且如果没有满、则将存储在DRAM设备中的数据离台到闪存设备并且然后将要写的数据写到DRAM设备以满足该写请求、否则如果所述闪存设备满了则如果盘还没有在转则使盘起转、将存储在闪存设备中的数据离台到盘、然后将存储在DRAM设备中的数据离台到闪存设备、然后将要写的数据写到DRAM设备以满足写请求的部件。
9. 如权利要求8所述的芯片，还包括确定该盘是否在转、并且如果在转、而DRAM设备不为空则将存储在DRAM设备中的数据离台到盘、并且然后将要写的数据写到DRAM设备以满足写请求的部件。
10. 如权利要求9所述的芯片，包括用于使得用户能够选择性地调用用于确定盘是否在转的部件的部件。
11. 一种在硬盘驱动器HDD中管理数据存储的方法，该硬盘驱动器具有至少一个可转动的盘、至少一个闪存设备、至少一个动态随机存取存储器DRAM设备、和至少一个盘控制器，该方法用于至少在硬盘驱动器HDD被供电时，既在盘转时也在盘不转时，管理硬盘驱动器中的数据存储，该方法包括：
接收写请求：
确定该DRAM设备是否满了，并且如果没有满，则将要写的数据写到DRAM设备以满足该写请求；否则在至少某个时间
确定该闪存设备是否满了，并且如果没有满，则将存储在DRAM设备中的数据离台到闪存设备并且然后将所述要写的数据写到DRAM设备以满足该写请求，否则如果闪存设备满了，如果盘还没有在转则使盘起转，并且将存储在闪存设备中的数据离台到盘，然后将存储在DRAM设备中的数据离台到闪存设备，然后将要写的数据写到DRAM设备以满足该写请求。
12. 如权利要求11所述的方法，还包括如下步骤：如果DRAM设备已满，则在所述确定闪存设备是否满了的步骤之前，确定该盘是否在转，并且如果盘在转，则将存储在DRAM设备中的数据离台到盘，并且然后将要写的数据写到DRAM设备以满足写请求，否则执行所述确定闪存设备是否满了的步骤。
13. 如权利要求12所述的方法，其中，由用户选择是否执行所述确定该盘是否在转的步骤。
14. 如权利要求11所述的方法，其中，所述硬盘驱动器是移动硬盘驱动器。
15. 如权利要求11所述的方法，所述硬盘驱动器与电池供电的主机进行通信，所述主机用于访问所述硬盘驱动器。
16. 如权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括如下步骤：
确定是否有输入/输出请求等待处理，并且如果没有，则：
确定该盘是否在转并且如果该盘没有在转并且DRAM设备不为空，则将存储在DRAM设备中的数据离台到闪存设备，否则，如果该盘在转并且DRAM设备不为空，则将存储在DRAM设备中的数据离台到盘；
如果该盘在转并且DRAM设备为空并且闪存设备不为空，则将存储在闪存设备中的数据离台到盘。
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