CN102033826B

CN102033826B - 内存掉电数据保护的装置和方法

Info

Publication number: CN102033826B
Application number: CN2010105783122A
Authority: CN
Inventors: 唐斌
Original assignee: UIT STORAGE TECHNOLOGY (SHENZHEN) Co Ltd; Innovation And Technology Storage Technology Co Ltd
Current assignee: Innovation Technology Co., Ltd.; Shenzhen Innovation Technology Co., Ltd.
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: CN102033826A

Abstract

本发明公开了一种内存掉电数据保护的装置和方法，电源监测模块监测主电源的电压值，当主电源的电压值小于或等于预先设置的阈值时，则电源监测模块通知掉电保护控制模块，掉电保护控制模块通知北桥和CPU结束当前的数据交互工作，然后通知超级电容开始供电，超级电容通过第一电压转换模块向内存供电，通过第二电压转换模块向掉电保护控制模块供电，通过第三电压转换模块向非易失性存储介质供电，掉电保护控制模块将内存中的数据保存至非易失性存储介质中。采用本发明公开的方法和装置能够有效地降低内存掉电数据保护的成本，而且提高系统的可靠性。

Description

内存掉电数据保护的装置和方法

技术领域

本发明涉及存储技术，特别涉及一种内存掉电数据保护的装置和方法。

背景技术

服务器和网络存储设备都是高可靠性的产品，需要保证数据的严格一致和不丢失，否则将会给企业带来不可估量的损失。但是，众多中小企业、甚至是互联网数据中心(IDC)也会面临市电停电的情况，一旦出现市电停电的情况，已经写入内存、但是还没有来得及写入非易失性存储介质的数据就会因为系统掉电而丢失数据。另外，需要说明的是，所述非易失性存储介质可以为：专门用作存储保护的磁盘(也可以称为硬盘)、磁带或固态硬盘驱动器(SSD，Solid-State Drive)等。

在现有技术中，内存掉电数据保护的方法通常为以下几种：

第一，采用外置不间断电源(UPS，Uninterruptible Power Supply)方式。

具体为：在市电掉电以后通过UPS给整机设备继续供电，根据系统内存大小，一般需要维持1分钟到10分钟不等，在这段依靠UPS供电的时间内，系统将内存中的数据全部写到非易失性存储介质中，完成数据写入和保护后，系统关机掉电。

第二，采用内置电池后备单元(BBU，Battery Back-up Unit)方式。

具体为：系统在检测到市电掉电时，北桥根据中央处理单元(CPU)的指令快速地将内存置于自刷新状态，通常1GB DDR2的内存在自刷新时仅需70mA的电流，系统完全掉电后，内置的BBU持续给内存供电，此时的数据仍保存在内存中，等到市电再次恢复，系统才将内存中的数据写入非易失性存储介质中。其中，所述北桥连接内存和CPU，北桥根据CPU的指令对内存进行控制。

但是，上述第一个方案存在的缺陷为：UPS非常昂贵，大大增加了整套存储系统的成本，而且UPS整流和逆变工作浪费了电能，据统计，UPS在机房中的电能消耗占全部电能的19％，再者，UPS的体积非常大，使得宝贵的机柜空间无法更多的放置存储设备和服务器。

上述第二个方案存在的缺陷为：电池属于安全规范器件，不能承受高、低温，且电池原料有腐蚀和污染，系统可靠性降低；而且电池的放电时间与电池容量有关系，太小的容量无法确保长时间的掉电保护，太大的容量造成成本上升，并且电池体积也很大，无法在有限的机箱内部放置，通常使用电池BBU的方式，仅能保持内存中的数据72小时不丢失；电池有充放电的寿命限制，一般只有几百次就不能再使用，需要重新更换，后续维护成本高；电池充电时间慢，充满整个电池需要几个小时甚至更长时间，如果在电池充电过程中，发生市电掉电，未充满电的电池无法满足系统长时间供电的要求。

综上，现有技术的内存掉电数据的保护方法的成本比较高，而且不具备很高的可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种内存掉电数据保护的装置和方法，能够有效地降低内存掉电数据保护的成本，而且提高系统的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种内存掉电数据保护的装置，该装置包括：中央处理单元CPU、北桥和内存，所述CPU通过北桥与内存进行数据交互，该装置还包括：电源监测模块、掉电保护控制模块、超级电容、第一电压转换模块、第二电压转换模块、第三电压转换模块和非易失性存储介质；其中，

所述电源监测模块，用于监测主电源的电压值，当主电源的电压值小于或等于预先设置的阈值时，则电源监测模块通知掉电保护控制模块，当主电源的电压值大于预先设置的阈值时，不做任何处理；

所述掉电保护控制模块，用于接收来自电源监测模块的通知后，通知北桥和CPU结束当前的数据交互工作，然后通知超级电容开始供电，还用于当超级电容开始供电后，将内存中的数据保存至非易失性存储介质中；

所述超级电容，用于接收来自掉电保护控制模块的通知后，通过第一电压转换模块向内存供电，通过第二电压转换模块向掉电保护控制模块供电，通过第三电压转换模块向非易失性存储介质供电；

所述第一、二、三电压转换模块，用于转换超级电容的输出电压，使得转换后的电压分别与内存、掉电保护控制模块、非易失性存储介质的输入电压匹配；

所述非易失性存储介质，用于保存内存中的数据。

所述电源监测模块为电压比较器，电压比较器的两个输入端子分别连接主电源和阈值，输出端子连接掉电保护控制模块，当主电源的电压值小于或等于阈值时，则输出端子向掉电保护控制模块输出信号，以通知掉电保护控制模块。

所述掉电保护控制模块为现场可编程门阵列FPGA。

所述第一电压转换模块为低压差线性稳压器或降压直流开关电源；

所述第二电压转换模块为升压直流开关电源；

所述第三电压转换模块为升压直流开关电源。

所述非易失性存储介质为硬盘、磁带或固态硬盘驱动器SSD。

所述超级电容的容量为80法拉至100法拉。

一种内存掉电数据保护的方法，该方法包括：中央处理单元CPU通过北桥与内存进行数据交互，该方法还包括：

A、电源监测模块监测主电源的电压值，当主电源的电压值小于或等于预先设置的阈值时，则电源监测模块通知掉电保护控制模块，当主电源的电压值大于预先设置的阈值时，不做任何处理，并结束流程；

B、掉电保护控制模块接收来自电源监测模块的通知后，通知北桥和CPU结束当前的数据交互工作，然后通知超级电容开始供电；

C、超级电容接收来自掉电保护控制模块的通知后，通过第一电压转换模块向内存供电，通过第二电压转换模块向掉电保护控制模块供电，通过第三电压转换模块向非易失性存储介质供电；

D、当超级电容开始供电后，掉电保护控制模块将内存中的数据保存至非易失性存储介质中。

所述电源监测模块为电压比较器，电压比较器的两个输入端子分别连接主电源和阈值，输出端子连接掉电保护控制模块；

所述监测主电源的电压值的方法为：当主电源的电压值小于或等于阈值时，则输出端子向掉电保护控制模块输出信号，以通知掉电保护控制模块。

所述掉电保护控制模块为现场可编程门阵列FPGA。

所述第二电压转换模块为升压直流开关电源；

所述第三电压转换模块为升压直流开关电源。

所述非易失性存储介质为硬盘、磁带或固态硬盘驱动器SSD。

所述超级电容的容量为80法拉至100法拉。

根据本发明所提供的技术方案，首先电源监测模块监测主电源的电压值，当主电源的电压值小于或等于预先设置的阈值时，则电源监测模块通知掉电保护控制模块，掉电保护控制模块接收来自电源监测模块的通知后，通知北桥和CPU结束当前的数据交互工作，然后通知超级电容开始供电，超级电容接收来自掉电保护控制模块的通知后，通过第一电压转换模块向内存供电，通过第二电压转换模块向掉电保护控制模块供电，通过第三电压转换模块向非易失性存储介质供电，当超级电容开始供电后，掉电保护控制模块将内存中的数据保存至非易失性存储介质中。可见，当掉电时立即启用超级电容为内存、掉电保护控制模块和非易失性存储介质供电，在供电期间将内存中的数据保存至非易失性存储介质中，能够有效地降低内存掉电数据保护的成本，而且提高系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明所提供的一种内存掉电数据保护的装置的结构图。

图2为电压比较器的实施例的示意图。

图3为本发明所提供的一种内存掉电数据保护的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明所述方案作进一步地详细说明。

图1为本发明所提供的一种内存掉电数据保护的装置的结构图。如图1所示，该装置包括：CPU 101、北桥102、内存103、电源监测模块104、掉电保护控制模块105、超级电容106、第一电压转换模块107、第二电压转换模块108、第三电压转换模块109和非易失性存储介质110。

下面对该装置包括的各个功能模块进行详细介绍。

CPU 101通过北桥102可与内存103进行数据交互，即进行读写操作，CPU 101、北桥102、内存103三者之间的数据交互方法为现有技术的内容，此处不予赘述。

电源监测模块104用于监测主电源的电压值，当主电源的电压值下降到小于或等于预先设置的阈值时，例如当主电源电压为12V时，阈值可设置为10.6V，一旦主电源的12V电压下降至小于或等于10.6V时，则视为系统已经开始掉电，则电源监测模块104通知掉电保护控制模块105触发后续的掉电保护工作。当系统正常工作时，主电源的电压值大于预先设置的阈值，则电源监测模块104继续监测电压值，掉电保护控制模块105不进行任何处理，还是保持系统的正常工作状态。

需要说明的是，所述主电源在图1中未示出，主电源用于向系统中的所有需供电的器件供电。

电源监测模块104可以为一电压比较器，图2为电压比较器的实施例的示意图，如图2所示，电压比较器的两个输入端子分别连接主电源和阈值，输出端子连接掉电保护控制模块105，当主电源的电压值小于或等于阈值时，则输出端子向掉电保护控制模块105输出信号，以通知掉电保护控制模块105触发后续的掉电保护工作，当主电源的电压值大于阈值时，不向掉电保护控制模块105输出信号。

掉电保护控制模块105可以为一个现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)，当系统未掉电时，FPGA不做任何处理，整个系统看起来只有CPU 101、北桥102、内存103三者进行正常的数据交互工作，只有当系统掉电时，FPGA才开始进行掉电保护的工作。

需要说明的是，本发明所述非易失性存储介质110为用于保护内存数据的专用存储介质，其不用于现有技术中的系统硬盘或数据硬盘的作用，所述非易失性存储介质110的作用是在掉电时存储内存数据，因此当系统未掉电时，非易失性存储介质110不处于工作状态。

下面以掉电保护控制模块105是FPGA为例对掉电保护控制模块105的工作过程进行详细介绍。

第一，FPGA接收到电源监测模块104的掉电通知后，首先FPGA通知北桥102和CPU 101结束当前工作。

通知的目的是为了防止CPU 101还继续通过北桥102与内存103之间进行数据交互。在实际应用中，北桥102和CPU 101一般需要100～200个时钟周期来结束当前工作，总时间不超过10us，这段时间仍然由主电源供电，当电源监测模块104监测到掉电后，通常可以再维持供电100ms左右。

第二，然后FPGA通知超级电容106开始供电。超级电容106通过第一电压转换模块107向内存103供电，超级电容106通过第二电压转换模块108向FPGA供电，超级电容106通过第三电压转换模块108向非易失性存储介质110供电。

对于2GB内存而言，如果非易失性存储介质110是硬盘，而硬盘的写入速度是100MB/s，则需要维持20s供电。如果非易失性存储介质110是SSD，而SSD的写入速度比硬盘更快，通常在150MB/s以上，因此所需维持的时间更短。

超级电容106的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。超级电容106属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

超级电容106的容量范围通常0.1法拉(F)至1000法拉(F)，而针对本发明中的应用，仅需80至100F容量就可以满足系统掉电保护的需求，较大容量也可以通过并联多个小容量电容实现。

需要注意的是，超级电容106通常输出电压较低(一般仅为2V)，而非易失性存储介质110的输入电压相对较高些，例如硬盘的输入电压为12V和5V，因此超级电容106和非易失性存储介质110之间还需连接第三电压转换模块109。

对于FPGA和内存103也是如此，超级电容106和内存103之间还需连接第一电压转换模块107，超级电容106和掉电保护控制模块105之间还需连接第二电压转换模块108，只不过第一电压转换模块107通常用于降压，第二电压转换模块108通常用于升压。

第一电压转换模块107用于转换电压，使得转换后的电压与内存103的输入电压匹配，第二电压转换模块108也用于转换电压，使得转换后的电压与掉电保护控制模块105的输入电压匹配，第三电压转换模块109也用于转换电压，使得转换后的电压与非易失性存储介质110的输入电压匹配。

优选地，第一电压转换模块107可为低压差线性稳压器(LDO，lowdropout regulator)或降压直流开关电源(DC-DC)，第二电压转换模块108和第三电压转换模块109可为升压直流开关电源(DC-DC)。

第三，FPGA将内存103中的数据保存至非易失性存储介质110中。

FPGA和内存103可通过DDR2/DDR3内存接口进行通信，FPGA和非易失性存储介质110可通过SATA/SAS接口进行通信。

可见，当系统掉电时，由超级电容106开始供电，在供电过程中，将需要保护的数据从内存103搬移至了非易失性存储介质110中，完成了数据的保护工作。

当市电再次恢复后，可通过人工方式将非易失性存储介质110中的数据保存至系统原来指定的位置，例如，人工发出“剪切”或“复制”指令。当市电再次恢复后，即CPU 101重新上电后，CPU 101也可通过软件程序控制，主动将非易失性存储介质110中的数据保存至系统原来指定的位置。

图3为本发明所提供的一种内存掉电数据保护的方法流程图。如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤301，电源监测模块监测主电源的电压值，当主电源的电压值小于或等于预先设置的阈值时，则电源监测模块通知掉电保护控制模块，当主电源的电压值大于预先设置的阈值时，不做任何处理并结束流程。

步骤302，掉电保护控制模块接收来自电源监测模块的通知后，通知北桥和CPU结束当前的数据交互工作，然后通知超级电容开始供电。

步骤303，超级电容接收来自掉电保护控制模块的通知后，通过第一电压转换模块向内存供电，通过第二电压转换模块向掉电保护控制模块供电，通过第三电压转换模块向非易失性存储介质供电。

步骤304，当超级电容开始供电后，掉电保护控制模块将内存中的数据保存至非易失性存储介质中。

至此，本流程结束。

关于方法部分的详细介绍，可参照装置部分的描述，此处不予赘述。

可见，与现有技术中的UPS的实现方式相比，本发明使用超级电容，实现起来价格低廉，系统成本大大降低；并且超级电容对于电能几乎没有损耗，因此，本发明更加环保、节能和经济；另外，超级电容体积小，直接设计在主板上，不会像UPS占用宝贵的机架空间。与现有技术中的电池BBU的实现方式相比，超级电容能承受高低温，充放电线路简单，安全系数和可靠性更高；另外，针对电池充电时间慢，存在使用寿命等一系列问题，而这些对于超级电容都不存在。

综上，根据本发明所提供的一种内存掉电数据保护的装置和方法，首先电源监测模块监测主电源的电压值，当主电源的电压值小于或等于预先设置的阈值时，则电源监测模块通知掉电保护控制模块，掉电保护控制模块接收来自电源监测模块的通知后，通知北桥和CPU结束当前的数据交互工作，然后通知超级电容开始供电，超级电容接收来自掉电保护控制模块的通知后，通过第一电压转换模块向内存供电，通过第二电压转换模块向掉电保护控制模块供电，通过第三电压转换模块向非易失性存储介质供电，当超级电容开始供电后，掉电保护控制模块将内存中的数据保存至非易失性存储介质中。可见，当掉电时立即启用超级电容为内存、掉电保护控制模块和非易失性存储介质供电，在供电期间将内存中的数据保存至非易失性存储介质中，能够有效地降低内存掉电数据保护的成本，而且提高系统的可靠性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种内存掉电数据保护的装置，该装置包括：中央处理单元CPU、北桥和内存，所述CPU通过北桥与内存进行数据交互，其特征在于，该装置还包括：电源监测模块、掉电保护控制模块、超级电容、第一电压转换模块、第二电压转换模块、第三电压转换模块和非易失性存储介质；其中，

所述非易失性存储介质，用于保存内存中的数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源监测模块为电压比较器，电压比较器的两个输入端子分别连接主电源和阈值，输出端子连接掉电保护控制模块，当主电源的电压值小于或等于阈值时，则输出端子向掉电保护控制模块输出信号，以通知掉电保护控制模块。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述掉电保护控制模块为现场可编程门阵列FPGA。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述第二电压转换模块为升压直流开关电源；

所述第三电压转换模块为升压直流开关电源。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非易失性存储介质为硬盘、磁带或固态硬盘驱动器SSD。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超级电容的容量为80法拉至100法拉。

7.一种内存掉电数据保护的方法，该方法包括：中央处理单元CPU通过北桥与内存进行数据交互，其特征在于，该方法还包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电源监测模块为电压比较器，电压比较器的两个输入端子分别连接主电源和阈值，输出端子连接掉电保护控制模块；

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述掉电保护控制模块为现场可编程门阵列FPGA。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述第二电压转换模块为升压直流开关电源；

所述第三电压转换模块为升压直流开关电源。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述非易失性存储介质为硬盘、磁带或固态硬盘驱动器SSD。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述超级电容的容量为80法拉至100法拉。