CN101034375A - 计算机存储系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机存储系统，包括：高速缓存单元、主存单元、外存单元，其特征在于，所述存储系统还包括：次级存储单元；所述次级存储单元用于动态存储外存单元中的常用数据，所述主存单元用于动态存储次级存储单元中的常用数据，所述高速缓存单元用于动态存储主存单元中的常用数据；系统按照高速缓存单元、主存单元、次级存储单元、外存单元优先级由高至低的顺序读取数据。采用本发明可以提高整个存储系统的性能和速度，解决现有技术中主存单元的容量和速度的矛盾问题，此外本发明的次级存储单元如采用非易失性存储介质存放操作系统，则提高操作系统读取的效率，而且本发明的新增的次级存储单元成本低廉。

Description

计算机存储系统

技术领域

本发明涉及一种计算机存储系统，更具体的来讲，本发明还涉及一种分级式计算机存储系统。

背景技术

一般来讲，分级式计算机的存储设备一般包括如图1所示的高速缓存单元、主存单元和外存单元三级结构，其中高速缓存单元主要指CPU的一级缓存、二级缓存，对于高端计算机还设有三级缓存，主存单元(MainMemory)就是常说的内存单元，外存单元(Auxiliary Memory)一般包括其他外围存储设备。根据概率统计，在90％的时间内CPU只对10％的存储内容进行访问，为了提高速度，增加容量，降低成本，目前各类计算机中都广泛采用多层次存储器结构，同时存储体系中各层次之间的数据传输的管理也是分层进行的。在这种分层结构下，存储设备一般分为三级，即高速缓存单元、主存单元、外存单元，其CPU访问的优先级别依次降低。同时，各存储设备的访问速度与价格也是依次降低，存储容量依次升高；数据传输一般分为两级，即高速缓存单元与主存单元之间，以及主存单元与外存单元之间。高速缓存单元其作用主要是为了匹配CPU的高速运算，给CPU缓存指令和数据，其工作频率跟CPU同频或者是分频，现在市面流行的PC机中的高速缓存单元频率一般都是2GHz以上，存储容量很小一般最大只有几个MByte，价格昂贵；主存单元其主要作用是用来存放计算机正在执行的或经常使用的程序和数据，CPU可以直接对它进行访问，其频率比高速缓存单元低一些，现在流行配置一般是600MHz到1GHz之间，其存储容量相对比高速缓存单元较大，一般有几百MByte到1GByte，价格相对高速缓存单元比较低一些，但是也是比较昂贵的；外存单元其主要目的是用作大量的数据存储，其频率一般很低，存储容量很大，价格相对也很低廉。

随着计算机软硬件技术的不断发展，CPU的处理速度越来越快，对数据量的要求也越来越大，同时外存单元存储设备容量也逐渐增大，因此对主存单元的速度以及存储容量的要求也越来越高。但是，大容量的主存单元也是不现实的，首先主存单元的价格相对也是非常昂贵的，其次大容量主存单元对工艺要求也很高，很难实现。因此现有技术中出现了两种解决这个问题的办法：虚拟主存单元和扩展主存单元。

采用虚拟主存单元来实现主存单元的存储容量，这种方法一般应用在硬盘作为外存单元的情况，划出一块区域，作为虚拟主存单元区，把一些不常用的数据放在这里。但是，一般硬盘的接口频率比较低，速度很慢，一般接口带宽只能达到100MByte/s左右，特别是在随机读取过程中，速率会更慢，所以当主存单元需要读写虚拟主存单元中的数据时，对硬盘的读写就会成为存储系统的瓶颈。这种存储结构，外存单元中如硬盘需要担任多个角色，当主存单元需要维护的数据量超出它的存储容量时，系统的处理方法是把主存单元中一部分不常用的数据放在外设硬盘的虚拟主存单元中，换句话说也就是把硬盘当作部分主存单元来使用，这时，硬盘既是外存单元又是主存单元的扩展，然而，硬盘带宽一般只能达到133MByte/s左右，当主存单元需要用到虚拟主存单元中的数据时，就需要到硬盘中读取，然后再传给CPU，这个过程中硬盘的接口速率会成为整个存储系统的瓶颈，整个传输的速率会因此而降低，特别是在需要对硬盘进行随机读写情况下，带宽会降到只有几个MByte/s，这将会大大降低CPU的利用率，白白浪费很多时间。因此这种方法虽然从原理上适当的增加了主存单元存储容量，但是其代价是牺牲了主存单元到高速缓存单元的传输速率，极大地降低了CPU的利用率。

扩展主存单元主要是将外接闪存作为主存单元的另一个存储空间，以扩展主存单元的容量。例如最近微软发布的新一代操作系统Vista中，有一项新的功能，ReadyBoost加速系统性能，其主要是将外接闪存作为扩展主存单元，增加主存单元的容量。这么做虽然可以增加主存单元的容量，从一定程度上增加系统主存单元，但是，Vista系统是通过外接USB接口的闪存来实现这一目的，USB的接口速率很低，只有480Mbps，远远低于主存单元与CPU之间的带宽，因此，这种做法也只能是适当的改善主存单元空间不够用的状况，而不能够解决存储结构操作瓶颈的本质问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提出一种分级式计算机存储系统，有效地解决现有存储系统中对主存单元速度和容量要求的技术瓶颈。

本发明提出的计算机存储系统，包括：高速缓存单元、主存单元、外存单元，还包括次级存储单元；所述次级存储单元用于动态存储外存单元中的常用数据，所述主存单元用于动态存储次级存储单元中的常用数据，所述高速缓存单元用于动态存储主存单元中的常用数据；系统按照高速缓存单元、主存单元、次级存储单元、外存单元优先级由高至低的顺序读取数据。

优选的，所述系统按照高速缓存单元、主存单元、次级存储单元、外存单元优先级由高至低的顺序进行寻址，高速缓存单元、主存单元中存储的数据直接被系统读取，次级存储单元、外存单元中存储的数据转发到主存单元被系统间接读取。

优选的，所述外存单元中存储的数据转发到主存单元的同时，该数据被转发到次级存储单元进行动态存储；所述次级存储单元中存储的数据转发到主存单元的同时，主存单元将动态存储该数据。

优选的，所述次级存储单元中还动态存储主存单元中被淘汰的不常用数据。

优选的，所述次级存储单元采用非易失性存储介质，其存储的数据信息还包括计算机操作系统。

优选的，所述的次级存储单元连接在计算机系统的南桥芯片或北桥芯片上。

优选的，所述的次级存储单元包括：设备接口、控制器和存储介质，设备接口与南桥芯片或北桥芯片相连，控制器接收设备接口发来的控制信号并对存储介质进行控制，并向设备接口反馈存储介质的中断信号。

优选的，所述的次级存储单元通过PCI Express接口、SCSI接口、PCI接口或者PCI-X接口中任一种接口连接在所述南桥芯片上。

优选的，所述的次级存储单元通过PCI Express接口连接在计算机系统的北桥芯片上。

优选的，所述的次级存储单元还作为显示卡的辅助存储单元。

本发明有益的技术效果在于：

1.采用四层的存储单元比现在的存储系统相比多了一层即次级存储单元，外存单元的10％左右的常用数据放在次级存储单元中，次级存储单元的10％左右的常用数据放在主存单元中，主存单元的10％常用数据放在高速缓存单元中。由于次级存储单元作为一个独立的设备，用来存放外存单元的常用数据，其接口带宽在外存单元的带宽之上，读写速率大于外存单元的读写速率，特别是在随机读写情况下，会远远大于外存单元相同情况下的带宽。在这种新存储系统之下，当主存单元在读取次级存储单元中信息时，效率将会远大于原系统下的效率，大幅度提高了CPU的使用率，同时，主存单元中的大部分内容可以放在次级存储单元中，可以节约很多宝贵的主存单元空间。因此这种新的存储系统能够更好的把存储设备的功能划分得更清晰，有助于提高整个存储系统的性能和速度，解决现有技术中主存单元的容量和速度的矛盾问题。

2.增加的次级存储单元采用非易失性存储介质，能在掉电的情况下保存部分主存单元需要保留的信息，同时，由于其非易失特性可以划分部分空间把操作系统放在这里，将其用作系统盘，这样既可以提高操作系统读取的效率，又可以把外存单元的角色变为一个像移动存储一样方便的可插拔外设。

3.在成本上由于次级存储单元的价格远远低于主存单元价格，拥有与外存单元差不多的价格，因此各级存储单元的容量可以灵活设置成合适比例，以提高存储数据的读写速率。

附图说明

图1为现有分级式计算机存储系统层次结构原理图；

图2为本发明存储系统层次结构原理图；

图3为本发明存储系统优选实施例存储单元设备结构示意图；

图4为本发明存储系统各存储单元分级处理流程图；

图5为本发明存储系统中次级存储单元结构示意图；

图6为本发明存储结构示意图。

具体实施方式

如附图2所示为本发明计算机存储系统的层次示意图，整个结构呈金字塔式分布，由上至下，存储器的速度逐渐降低，存储容量逐渐升高，价格逐渐降低。其中，CPU的一级缓存和二级缓存都属于高速缓存单元，在整个存储系统中，速度是最快的，其主要用来与CPU同频或者分频工作，将主存单元中常用的数据保存于此；主存单元其结构层次仅次于高速缓存单元，其可以直接跟CPU进行数据或者缓存指令的传输，速度略低于高速缓存单元；次级存储单元在存储结构中的位置在主存单元与外存单元之间，次级存储单元主要存储外存单元中的常用数据。它的存在一方面可以为主存单元节约存储空间，另一方面，还可以提高整个存储系统数据读写的速率，提高CPU的利用率，同时，不再让外存单元充当扩展主存单元的角色，有效的解决了存储系统中出现的瓶颈问题。综合来看，整个存储结构可以归纳为：外存单元中的10％左右的常用数据存放于次级存储单元，次级存储单元中的10％左右的常用数据存放于主存单元，主存单元中的10％左右常用数据存放于高速缓存单元。

如附图3所示为本发明存储系统优选实施例存储单元设置示意图，现在的芯片组结构总线上只有南桥芯片和北桥芯片，一般不再把其他的外设接口接入总线。北桥芯片上的结构相对简单，主要接有中央处理器1，其是整个PC机的运算和命令中心，用来控制整个PC机的操作，具中CPU的一级缓存集成在CPU芯片内，二级缓存有一些厂商做法是集成在CPU内，也有一些是外接于CPU；其次，接有主存单元，其主要作用是为CPU提供数据，目前存储结构下，当用户发出一次操作请求，CPU首先会在高速缓存单元和主存单元中寻找目标数据，如果不能找到，才会到外围存储设备中搜索，当找到数据时，先把数据读到主存单元中，然后由主存单元向CPU提供数据，主存单元的主要目的就是为了有效地缓冲外围存储设备在数据传输过程中产生的瓶颈，减少CPU在操作中的等待时间，从而提高CPU的利用率；还有显卡接口3其主要作用是为显卡提供接口，如果外接液晶或者数字显示器则为DVO接口，或者用高速PCI Express 16倍速接口做为外接显卡的接口。南桥芯片的外接结构相比之下要复杂一些，很多外设接口都是接在南桥下，其中包括USB接口(通用串行接口)6，常用硬盘的ATA接口7或者SATA接口、Ethernet接口(以太网接口)10、PCI接口11或者PCI-X或者PCI Express接口等等。如图2所示，本发明所涉及的次级存储单元9可以外接在南桥芯片上，也可以外接在北桥芯片上。次级存储单元9外接在南桥芯片上时，次级存储单元9可以通过PCIExpress接口、SCSI接口、PCI接口或者PCI-X接口中任一种接口连接在南桥芯片上。当次级存储单元9外接在北桥芯片时通过PCI Express接口连接在计算机系统的北桥芯片上。次级存储单元9通过PCI Express接口连接在北桥芯片时，还可以作为显示卡的辅助存储单元使用。

如附图4所示为本发明存储系统结构在操作系统中优先级别示意图，从图中可以看到，CPU在接收到请求要求对存储设备读取数据时，首先，对优先级别最高的高速缓存单元寻址，判断数据是否缓存在这里，如果可以找到数据，则读取数据，然后对数据进行处理，最后发出信号，操作结束；其次如果数据没有找到，CPU则对优先级别紧接其后的主存单元寻址，判断数据是否缓存在这里，如果能够找到，则读取数据，同时把数据读入高速缓存单元，作为近期操作过的数据，根据算法把高速缓存单元中一部分不常用数据淘汰放入主存单元，然后对数据进行处理，最后操作结束发出信号；再次，如果数据没有在主存单元中，则对优先级别其次的本发明涉及的次级存储单元寻址，判断数据是否在这里，如果能够找到，则先把数据读进主存单元，然后由主存单元传给CPU，同时在主存单元中标志为近期操作过的数据，如果主存单元空间不够，则需要根据算法淘汰一部分不常用数据在次级存储单元中，然后对数据进行处理，接着返回，同时发出信号，寻址操作结束；接下来，如果在以上三个存储设备寻址都没有能够找到数据，则按照优先级别对其他外围存储设备(即外存单元)依次寻址，直到找到数据，把数据读入主存单元，由主存单元传给CPU，同时需要把数据传给次级存储单元标志为近期操作过的数据，然后CPU对数据进行处理，接着返回，同时发出信号，操作结束；最后，如果在其他外围存储设备中也不能够找到数据，则向CPU返回寻址没有找到目标数据，然后，CPU发出信号，不能成功找到操作数据，同时，结束操作。根据发明存储系统结构，在CPU寻址查找数据过程中，高速缓存单元优先级别最高，其次，是主存单元设备，再次，是本发明所涉及的次级存储单元，最后，是其它的外围存储设备(即外存单元)。

如附图5所示为本发明所涉及的次级存储单元功能示意图，如图中21所示为设备接口，此接口采用高速接口。当其与南桥芯片相连时，采用PCIExpress接口、SCSI接口、PCI接口或者PCI-X接口中任一种接口；当其与北桥芯片相连时，采用PCI Express接口。接口带宽一般在现有外围存储设备带宽之上。图中22所示为设备的接口控制器，其中包括MCU(微处理单元)和Firmware(固件)。图中23所示为设备中的存储介质控制器，其主要作用是根据接口控制器发来的指令对存储介质进行控制，同时，根据存储介质的状态产生中断信号反馈给接口控制器。图中24为存储设备的最底层结构存储介质，其主要作用是存储数据。

如附图6所示为本发明存储结构示意图，图中实线为CPU对各存储设备的控制指令，空心线为各层存储设备的数据流向。当CPU对高速缓存单元进行寻址，如果可以找到数据，则对高速缓存单元发指令，同时，读取数据；如果不能命中目标数据，则对主存单元寻址，如果命中，则CPU对主存单元发指令，读取数据，同时，这些也会数据被标志为最近被操作过，存入高速缓存单元；如果不能命中，则对次级存储单元寻址，如果命中，CPU向其发出指令，将数据读入主存单元，再由主存单元将数据读入CPU；如果不能命中，则对外存单元寻址，如果命中，CPU向其发出指令，将数据读入主存单元，同时，这些数据将被标志为最近操作过，存入次级存储单元，然后，主存单元把数据传给CPU。此外主存单元中不常用的数据还可以被动态调整存入次级存储单元中，次级存储单元中的不常用数据被动态调整到外存单元中。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种计算机存储系统，包括：高速缓存单元、主存单元、外存单元，其特征在于，所述存储系统还包括次级存储单元；所述次级存储单元用于动态存储外存单元中的常用数据，所述主存单元用于动态存储次级存储单元中的常用数据，所述高速缓存单元用于动态存储主存单元中的常用数据；系统按照高速缓存单元、主存单元、次级存储单元、外存单元优先级由高至低的顺序读取数据。

2.根据权利要求1所述的计算机存储系统，具特征在于，所述系统按照高速缓存单元、主存单元、次级存储单元、外存单元优先级由高至低的顺序进行寻址，高速缓存单元、主存单元中存储的数据直接被系统读取，次级存储单元、外存单元中存储的数据转发到主存单元被系统间接读取。

3.根据权利要求2所述的计算机存储系统，其特征在于，所述外存单元中存储的数据转发到主存单元的同时，该数据被转发到次级存储单元进行动态存储；所述次级存储单元中存储的数据转发到主存单元的同时，主存单元将动态存储该数据。

4.根据权利要求2所述的计算机存储系统，其特征在于，所述次级存储单元中还动态存储主存单元中被淘汰的不常用数据。

5.根据权利要求1-4任一项所述的计算机存储系统，其特征在于，所述次级存储单元采用非易失性存储介质，其存储的数据信息还包括计算机操作系统。

6.根据权利要求1-4任一项所述的计算机存储系统，其特征在于，所述的次级存储单元连接在计算机系统的南桥芯片或北桥芯片上。

7.根据权利要求6所述的计算机存储系统，其特征在于，所述的次级存储单元包括：设备接口、控制器和存储介质，设备接口与南桥芯片或北桥芯片相连，控制器接收设备接口发来的控制信号并对存储介质进行控制，并向设备接口反馈存储介质的中断信号。

8.根据权利要求7所述的计算机存储系统，其特征在于，所述的次级存储单元通过PCI Express接口、SCSI接口、PCI接口或者PCI-X接口中任一种接口连接在所述南桥芯片上。

9.根据权利要求7所述的计算机存储系统，其特征在于，所述的次级存储单元通过PCI Express接口连接在计算机系统的北桥芯片上。

10.根据权利要求9所述的计算机存储系统，其特征在于，所述的次级存储单元还作为显示卡的辅助存储单元。

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