CN101655773A - 磁盘阵列小型计算机系统接口目标器装置及数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁盘阵列小型计算机系统接口目标器装置及数据传输方法，所述方法包括以下步骤：目标层的驱动传输层接收到主机启动层发来的数据，经过处理后提取其中的小型计算机系统接口数据块；该数据块或为查询指令时则读取配置模块的信息、或为配置指令时则配置数据、或为更新配置指令时则更新配置数据；将数据响应通过目标层的驱动传输层传递到主机启动层；同时目标层释放此次交互所占用的资源。由于不局限于操作系统的特定层面，缩短了目标层和启动层数据传输路径，通过对存储器直接访问以及数据缓存的控制提高了数据的传输性能；并通过启动层对硬盘端进行单独的控制和管理，实现了磁盘阵列系统的高可靠性和较强的系统兼容性。

Description

磁盘阵列小型计算机系统接口目标器装置及数据传输方法

技术领域

本发明涉及信息处理的磁盘阵列系统和数据传输领域，尤其涉及的是磁盘阵列小型计算机系统接口目标器装置及数据传输方法的改进。

背景技术

在磁盘阵列的硬件实现上，通常基于一种小型计算机系统接口(SmallComputer System Interface，以下简称SCSI)协议作为存储接口。该SCSI协议模型根据SAM中的描述，具体表现为客户机-服务器模式，如图1所示，SCSI Initiator设备110通过传输层发送SCSI数据指令和消息到SCSI Target端120，SCSI Target端120接收到SCSI数据指令和消息并进行处理，然后将处理后的指令和消息进行响应返回给SCSI Initiator设备110，从而完成一次SCSI数据指令和消息的交互。

SCSI是各种计算机与外部设备之间的接口标准之一，主要用来连接外部设备以提高系统性能或增加新的功能，例如硬盘、光驱、ZIP、MO、扫描仪、磁带机、JAZ、打印机等等，是一种智能的通用接口标准。鉴于这种接口方便系统集成、降低成本和提高效率的接口标准，越来越多的设备将使用SCSI接口标准，因此，带SCSI接口的硬盘和SCSI光盘驱动器也越来越多。但由于成本问题，主要还是应用于中高端服务器与工作站上，因为SCSI接口卡和设备非常昂贵，所以采用SCSI接口的机种主要以工作站、服务器等中高档设备为主。随着PC技术的逐渐成熟，SCSI设备被广泛地使用，支持SCSI接口的外设产品从原本仅有的硬盘、磁带机，增加到扫描仪、光驱、刻录机、MO等各种设备，再加上制造技术的进步，SCSI卡与外部设备的价格都已经降低在可接受范围内，因此SCSI在个人PC的应用日渐增多。

由于在磁盘阵列系统如SCSI目标器里面，影响磁盘阵列性能的因素有很多，对于传输性能有较高的要求，包括传输层的介质在内，不同的传输介质所能支持的传输速率是不相同的。然而可以肯定的是，目前磁盘阵列系统整体上具有往越高传输速率方向介质发展靠拢的趋势。

提高磁盘阵列的性能，可以采用内置RAID控制器的方法。某些磁盘阵列通过RAID控制器，用来提高磁盘阵列的性能，但不同的RAID算法上存在着对性能不同程度的影响，其往往是在系统的性能和可靠性上进行着取舍。高性能的RAID处理，其可靠性未必符合客户的需求。

还有一些常见的SCSI目标器的装置，如图2所示，其通用的装置都是基于操作系统的SCSI中间层210，来完成对SCSI指令和数据的处理。这样就很大程度上依赖于操作系统的SCSI层220，不但增加了数据的处理层次，而且也增加了对操作系统的依赖；而且一旦当操作系统相关的装置发生较大的改变时，还会增加装置移植的难度，缺乏系统兼容性。

如何设计优良的SCSI装置和数据流是影响磁盘阵列性能的一个至关重要的因素，良好的装置可以很好的使SCSI数据指令和消息得到快速有效的处理，使数据可以很快到达相应的区域以及消息快速得到相应，从而大幅提升磁盘阵列的性能。

因此，现有技术尚有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的问题是，提供一种磁盘阵列小型计算机系统接口目标器装置及数据传输方法，可提高数据的传输性能，并实现磁盘阵列系统的高可靠性和强兼容性。

本发明的技术方案如下：

一种磁盘阵列小型计算机系统接口目标器的装置，其中，包括相互通信连接的一目标层和一启动层，且所述启动层的驱动传输层直接连接所述目标层的驱动传输层，用于数据的传输；所述目标层用于仿真成小型计算机系统接口目标器，所述启动层用于管理相连接的所有磁盘。

所述的装置，其中，所述目标层和所述启动层还包括各自的一传输介质驱动模块、一输入/输出管理模块和一异常处理模块，所述传输介质驱动模块提供数据接口进行传输操作，所述输入/输出管理模块通过与所述传输介质驱动模块的交互，实现存储器直接访问方式的数据传输，所述异常处理模块用于管理各自端口的事件和异常。

所述的装置，其中，所述目标层包括一命令解析和响应模块、一逻辑单元映射和设备管理模块以及一配置管理模块；其特征在于，所述目标层还包括一端口映射模块和一数据缓存控制模块，所述端口映射模块提供所述逻辑单元映射和设备管理模块的映射端口，所述数据缓存控制模块在所述命令解析和响应模块或所述配置管理模块的作用下，用于管理所述存储器直接访问操作中的资源。

所述的装置，其中，所述启动层还包括一背板目标端口管理模块；在所述背板目标端口管理模块的作用下，所述逻辑单元映射和设备管理模块用于将所述磁盘映射成启动层的目标逻辑单元。

所述的装置，其中，所述目标层和所述启动层在适配器驱动层还通过一总线连接，用于数据按照存储器直接访问方式传输。

一种如所述装置中的数据传输方法，包括以下步骤：

A、所述目标层的驱动传输层接收到主机启动层发来的数据，经过处理后提取其中的小型计算机系统接口类型数据块；

B、若该据块或为查询指令时则读取配置模块的信息、或为配置指令时则配置数据、或为更新配置指令时则更新配置数据；

C、将数据响应通过所述目标层的驱动传输层传递到主机启动层；同时所述目标层释放此次交互所占用的资源。

所述的方法，其中，所述数据块或为读数据操作时，则所述步骤B进行以下操作：

B11、所述启动层的输入/输出控制模块控制自身的驱动传输层读取磁盘的数据；

B12、将所述启动层随机存取存储器中的数据，通过存储器直接访问方式，存入到所述目标层的预先申请定义的缓存中；

B13、在所述目标层的输入/输出控制模块控制下，以存储器直接访问的方式，将数据从缓存中发送到所述目标层的随机存取存储器中；

B14、所述目标层的驱动传输层将数据发往主机启动层。

所述的方法，其中，所述数据块或为写数据操作时，则所述步骤B进行以下操作：

B21、所述目标层的驱动传输层在自身的输入/输出处理模块控制下，将数据通过存储器直接访问方式传输到预先申请定义的缓存中；

B22、所述启动层的输入/输出控制模块按照先前的映射配置以及聚散列表描述，将该数据通过存储器直接访问方式写往所述启动层的随机存取存储器中；

B23、所述启动层的驱动传输层将该数据写往相连接磁盘的相应位置。

所述的方法，其中，所述数据块为读写指令时，步骤B具体还包括：

B31、所述目标层直接从高速缓冲存储器中进行读取；

B32、若数据命中，则直接将数据通过目标层的驱动传输层传递给主机启动层的驱动传输层；若数据不命中，则所述目标层申请资源；

B33、若硬件支持聚散列表形式，则更新该聚散列表；

B34、通知所述启动层准备数据的传递。

所述的方法，其中，所述数据块为读指令时，步骤B具体还包括：

B321、若数据不命中，所述目标层的输入/输出处理模块将数据请求按照逻辑单元号模式以链表形式进行登记，同时转发给所述启动层；

B341、目标层的驱动传输层按照传递介质规范封装协议成数据包，将封装好的数据包及其数据状态传递给所述启动层的驱动传输层。

本发明所提供的一种磁盘阵列小型计算机系统接口目标器装置及数据传输方法，由于不局限于操作系统的特定层面，缩短了目标层和启动层不必要的操作系统SCSI层数据传输路径，通过对DMA以及数据缓存的控制提高了数据的传输性能；并通过启动层对硬盘端进行单独的控制和管理，实现了磁盘阵列系统的高可靠性；同时大量使用DMA数据传输，减少了磁盘阵列处理器的负担；既符合了SAM-3中的Target目标设备模型以及基于SPC-3和SBC的指令集，又不依赖于操作系统的SCSI层，具有较强的系统兼容性。

附图说明

图1是现有技术SAM下的SCSI协议模型示意图；

图2是现有技术SCSI目标器装置原理示意图；

图3是本发明的SCSI目标器装置原理示意图；

图4是本发明的SCSI目标器装置的目标层示意图；

图5是本发明的SCSI目标器装置的启动层示意图；

图6是本发明的SCSI目标器装置应用示意图；

图7是本发明的SCSI目标器读指令流程示意图。

具体实施方式

以下将结合所示附图，对本发明一种磁盘阵列小型计算机系统接口目标器装置及数据传输方法的具体实施方式和实施例加以详细说明。

本发明的磁盘阵列小型计算机系统接口目标器装置及数据传输方法，主要核心点在于，通过优化数据流在SCSI目标器里面的路径，达到有效的提高SCSI目标器的数据处理性能的目的；至于SCSI协议、SBC和SPC-3指令集以及SAM或SAM-3等技术为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

总体上说，本发明的磁盘阵列小型计算机系统接口目标器装置及数据传输方法，如图3和图6所示，建立在相互通信连接的一目标层310和一启动层320基础之上，其中：

一、目标层310管理目标层310的Target目标端口，通过仿真成SCSITarget，对Inquiry，ReportLun等SPC-2和SBC指令进行响应；并管理主机启动层的I/O输入/输出；同时与启动层320消息通信；扫描、管理和映射启动层320的目标逻辑单元。

二、启动层320扫描和管理启动层320的Target目标端口；处理目标层310的请求；并通过适配器驱动层640管理连接的所有Disk磁盘650；而适配器驱动层630和适配器驱动层640之间通过PCI BUS总线连接，如在两个传输适配器之间。

详细的说，所述目标层310的装置包括以下模块，如图4所示，这八种模块分别是：

1_1、传输介质驱动模块401：实现与主机启动层的交互。传输介质信号和SCSI数据信号之间的转化；实现物理适配器进行初始化；在操作系统中的注册，提供接口供目标层其他模块进行数据操作等。

1_2、I/O(Input/Output，以下简称I/O)输入/输出管理模块402：管理来自目标层的传输请求；通过与传输介质驱动模块的交互，实现存储器直接访问DMA(Direct Memory Access，以下简称DMA)传输的机制以及聚散列表传输方式的数据传递。

1_3、异常处理模块403：管理端口事件和异常、I/O输入/输出异常以及LU逻辑单元异常。当检测到端口，I/O输入/输出以及LU(Logical Unit，以下简称LU)逻辑单元异常，都会通知相应的模块和设备，进行异常处理。

1_4、端口映射模块404：管理目标层和启动层的端口映射。目标层端口会当作Target目标端口，启动层端口可以是Initiator发起端口或者是背板磁盘端口。提供所述逻辑单元映射和设备管理模块的映射端口。端口映射可以被用来多路径和fail-over等功能实现。

1_5、Data Cache数据缓存控制模块405：管理在DMA内存中内存使用算法，管理在目标层和启动层模块中DMA操作中的聚散列表资源，管理目标层的端口使用和传递给启动层端口的DMA内存。在所述命令解析和响应模块或所述配置管理模块的作用下，用于管理所述存储器直接访问操作中的资源。

1_6、SCSI CDB命令解析和响应模块406：实现基于SAM-3，SPC-2和SBC的SCSI CDB命令解析和相应，同时也管理每个逻辑单元LU的SCSI数据状态和参数页；通过解析出来的CDB命令，通知I/O输入/输出管理模块进行I/O输入/输出数据传输。

1_7、SCSI逻辑单元映射和设备管理模块407：管理目标层逻辑单元LU的信息，提供在目标层逻辑单元LU和启动层逻辑单元LU之间的SCSI LUN和LBA的匹配；当SCSI I/O请求来临时，将此次请求目标层的LBA和启动层的LBA请求进行直接匹配；管理启动层逻辑单元LU的扫描，间隔一定时间进行扫描，通过扫描获取启动层所连接的端口以及LUN 0的属性和状态。并更新目标层的LUN(Logical Unit Number)逻辑单元号状态和属性。

1_8、配置管理模块408：管理用户的程序配置信息；和磁盘阵列管理软件的交互；提供给磁盘阵列的用户，对磁盘阵列的SCSI目标器进行配置的模块。

对应的，所述启动层320的装置包括以下模块，如图5所示，这四种模块分别是：

2_1、传输介质驱动模块501：实现与对应介质的磁盘的交互。传输介质信号和SCSI数据信号之间的转化；实现物理适配器进行初始化；在操作系统中的注册，提供接口供启动层其他模块进行数据操作等。

2_2、I/O输入/输出管理模块502：管理来自启动层SCSI数据传输的请求；通过该模块，启动层与磁盘进行高效的I/O输入/输出数据传输。实现DMA传输的机制以及聚散列表传输方式的数据传递。

2_3、异常管理模块503：管理端口事件和异常。通过目标层和启动层之间的API报告I/O输入/输出异常和背板逻辑单元LU异常给目标层模块，目标层收到异常消息后，向主机启动器发送状态报告。

2_4、背板Target目标端口管理模块504：管理背板Target目标端口资源和状态，包括背板Target目标的失败、移出和到达。在所述背板目标端口管理模块的作用下，所述逻辑单元映射和设备管理模块用于将所述磁盘映射成启动层的目标逻辑单元。该模块根据操作和状态发送事件通知给目标层，目标层随后更新相应的匹配配置。

而本发明一种磁盘阵列小型计算机系统接口目标器的方法，概述为以下步骤：

步骤一、目标层的驱动传输层接到主机启动层发来的数据，如HBA(HostBus Adaptor)主机总线适配卡作为主机启动层，发送数据给目标层的驱动传输层，经过处理后提取其中的SCSI数据块；

步骤二、若SCSI数据块为查询SCSI数据指令，则查询数据，读取配置模块的信息；若SCSI数据块为配置SCSI数据指令，则配置数据；若需要更新配置数据，则更新配置数据；

步骤三、将SCSI数据响应返回给目标层的驱动传输层，数据响应通过总线传递给启动层的驱动传输层，再传递给主机启动层；同时目标层释放此次交互所占用的资源。

若为读数据操作的话，则启动层的I/O输入/输出控制模块控制启动层自身的驱动传输层读取磁盘的数据，通过DMA的方式将启动层硬件的随机存取存储器RAM(Random-Access Memory，以下简称RAM)中的数据存入到目标层的预先申请定义的缓存中，然后在目标层I/O输入/输出控制模块控制下以DMA方式将数据从缓存中发送到目标层硬件适配器的RAM中，驱动传输层再将数据发往主机启动层。完成阶段数据传输后，目标层向主机启动层发出响应。最后释放占用的资源。

若为写数据操作的话，则目标层的驱动传输层在自身目标层的I/O输入/输出处理模块控制下，将数据通过DMA的方式传输到预先申请定义好的缓存中，然后启动层的I/O输入/输出控制模块根据先前的映射配置以及聚散列表描述，将数据再通过DMA的方式写往启动层的硬件适配器内部RAM，启动层的驱动传输层将数据写往连接的磁盘相应位置。完成阶段数据传输后，目标层向主机启动层发出响应。最后释放占用的资源。

若SCSI数据块为读写指令，则目标层直接从高速缓冲存储器Cache中进行读取；若数据命中，则直接将数据通过目标层的驱动传输层传递给启动层的驱动传输层；若数据不命中，则目标层申请资源；若硬件支持聚散列表形式，则更新聚散列表；同时通知启动层准备数据的传递。

以读指令的流程为例，详细说明数据传输的实现过程：

步骤S710、目标层的驱动传输层接收到主机启动层传来的信号，触发适配器层中断处理函数，根据传输层协议约定，处理相应的流程；若涉及到SCSI数据请求，则提取相应的SCSI数据帧，发送给目标层的SCSI CDB解析和响应模块。

步骤S712、CDB解析和相应模块根据SCSI数据协议规定，判断SCSI数据指令的属性；为SCSI数据查询，配置指令，则根据配置模块或者SCSI逻辑单元映射和设备管理模块设备模块交互，将主机启动层的请求信息以及请求状态返回给主机启动层；若为SCSI I/O请求指令，则调用目标层的I/O输入/输出处理模块。

步骤S714、I/O输入/输出处理模块接收到SCSI数据请求后，先查找高速缓冲存储器Cache内容；若数据命中，则将数据和状态返回给驱动传输层，再返回给主机启动层；若数据不命中，则进入步骤S716。

步骤S716、目标层I/O输入/输出处理模块根据SCSI数据请求，将请求以链表形式按I_T_L(Initiator_Target_LUN)模式进行登记，同时转发给启动层。

步骤S718、启动层接到I_T_L形式的SCSI数据请求后，更新自身的SCSI数据请求链表以及聚散列表，启动层I/O输入/输出处理模块会根据SCSI数据请求链表内容和聚散列表，通过启动层传输介质驱动模块，以DMA的传输方式读取磁盘上的数据信息；根据SCSI数据指令里面所请求的地址和大小，通过相应的介质的端口，将磁盘的内容读取到内存中来。

步骤S720、当SCSI I/O传递结束后，启动层的适配器发出中断，完成此次传输，同时启动层更新SCSI数据请求链表以及聚散列表。目标层收到I/O输入/输出传递结束的消息后，会向启动层获取相应数据的所存放的地址，并向主机启动层发送响应以及设置状态。

步骤S722、在目标层的I/O输入/输出控制模块控制下，目标层将数据从内存中以DMA的方式传递到目标层适配器的RAM中，适配器驱动层根据传递介质规范封装协议成数据包，将封装好的数据包及其数据状态传递给主机启动层。

步骤S724、传递完数据包，启动层适配器层驱动产生中断，通知目标层数据传递结束。目标层根据此消息释放此次I/O输入/输出传递过程中产生的资源。

以上具体实施方式中优化SCSI目标器内数据流路径的技术根据实际应用可以采用现有各种可能的方案，为本领域技术人员所熟知，在此也不再赘述。

本发明具体实施方式中所提供的磁盘阵列小型计算机系统接口目标器装置及数据传输方法，由于不局限于操作系统的特定层面，缩短了目标层和启动层不必要的操作系统SCSI层数据传输路径，通过对DMA以及数据缓存的控制提高了数据的传输性能；并通过启动层对硬盘端进行单独的控制和管理，实现了磁盘阵列系统的高可靠性；同时大量使用DMA数据传输，减少了磁盘阵列处理器的负担；既符合了SAM-3中的Target目标设备模型以及基于SPC-3和SBC的指令集，又不依赖于操作系统的SCSI层，具有较强的系统兼容性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述方案的说明加以改进或变换，例如不局限于操作系统特定层面在数量上的变化，而所有这些改进和变换都本应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种磁盘阵列小型计算机系统接口目标器的装置，其特征在于，包括相互通信连接的一目标层和一启动层，且所述启动层的驱动传输层直接连接所述目标层的驱动传输层，用于数据的传输；所述目标层用于仿真成小型计算机系统接口目标器，所述启动层用于管理相连接的所有磁盘。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述目标层和所述启动层还包括各自的一传输介质驱动模块、一输入/输出管理模块和一异常处理模块，所述传输介质驱动模块提供数据接口进行传输操作，所述输入/输出管理模块通过与所述传输介质驱动模块的交互，实现存储器直接访问方式的数据传输，所述异常处理模块用于管理各自端口的事件和异常。

3、根据权利要求2所述的装置，所述目标层包括一命令解析和响应模块、一逻辑单元映射和设备管理模块以及一配置管理模块；其特征在于，所述目标层还包括一端口映射模块和一数据缓存控制模块，所述端口映射模块提供所述逻辑单元映射和设备管理模块的映射端口，所述数据缓存控制模块在所述命令解析和响应模块或所述配置管理模块的作用下，用于管理所述存储器直接访问操作中的资源。

4、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述启动层还包括一背板目标端口管理模块；在所述背板目标端口管理模块的作用下，所述逻辑单元映射和设备管理模块用于将所述磁盘映射成启动层的目标逻辑单元。

5、根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述目标层和所述启动层在适配器驱动层还通过一总线连接，用于数据按照存储器直接访问方式传输。

6、一种如权利要求1所述的数据传输方法，包括以下步骤：

A、所述目标层的驱动传输层接收到主机启动层发来的数据，经过处理后提取其中的小型计算机系统接口类型数据块；

B、该数据块或为查询指令时则读取配置模块的信息、或为配置指令时则配置数据、或为更新配置指令时则更新配置数据；

C、将数据响应通过所述目标层的驱动传输层传递到主机启动层；同时所述目标层释放此次交互所占用的资源。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述数据块或为读数据操作时，则所述步骤B进行以下操作：

B11、所述启动层的输入/输出控制模块控制自身的驱动传输层读取磁盘的数据；

B12、将所述启动层随机存取存储器中的数据，通过存储器直接访问方式，存入到所述目标层的预先申请定义的缓存中；

B13、在所述目标层的输入/输出控制模块控制下，以存储器直接访问的方式，将数据从缓存中发送到所述目标层的随机存取存储器中；

B14、所述目标层的驱动传输层将数据发往主机启动层。

8、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述数据块或为写数据操作时，则所述步骤B进行以下操作：

B21、所述目标层的驱动传输层在自身的输入/输出处理模块控制下，将数据通过存储器直接访问方式传输到预先申请定义的缓存中；

B22、所述启动层的输入/输出控制模块按照先前的映射配置以及聚散列表描述，将该数据通过存储器直接访问方式写往所述启动层的随机存取存储器中；

B23、所述启动层的驱动传输层将该数据写往相连接磁盘的相应位置。

9、根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述数据块为读写指令时，步骤B具体还包括：

B31、所述目标层直接从高速缓冲存储器中进行读取；

B32、若数据命中，则直接将数据通过目标层的驱动传输层传递给主机启动层的驱动传输层；若数据不命中，则所述目标层申请资源；

B33、若硬件支持聚散列表形式，则更新该聚散列表；

B34、通知所述启动层准备数据的传递。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述数据块为读指令时，步骤B具体还包括：

B321、若数据不命中，所述目标层的输入/输出处理模块将数据请求按照逻辑单元号模式以链表形式进行登记，同时转发给所述启动层；

B341、目标层的驱动传输层按照传递介质规范封装协议成数据包，将封装好的数据包及其数据状态传递给所述启动层的驱动传输层。

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