CN102160038A - 管理非易失性磁盘高速缓存的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用以管理用于存储的硬盘驱动器上的作为高速缓存的非易失性（NV）存储器的方法和设备。
Description
背景技术
现代的计算机可以具有用于永久数据存储的硬盘驱动器和可寻址动态存储器，从所述可寻址动态存储器执行计算机程序。在存储器速度（例如，对于许多当今的存储器产品来说存取存储器中的一个字节需5－70 ns）和磁盘速度（例如，对于许多当今的硬盘驱动器产品来说存取旋转硬盘介质上的一个字节需2-20 ms）之间存在不断增长的不一致性。当从可寻址动态存储器执行计算机程序时，该执行可能是以存储器速度。然而，如果存在页错误，例如，计算机程序可能需要存取硬盘上尚未加载到可寻址动态存储器中的一块数据，那么该计算机程序可能必须等待该数据被加载，并且执行速度可能降低到磁盘速度。由于可寻址动态存储器在容量方面可能比典型的硬盘驱动器小，所以可寻址动态存储器可以包含典型的硬盘驱动器上的数据的较小集合且可能需要时常对该硬盘驱动器进行存取。结果，存储器系统的整体速度可能受到存储器速度和磁盘速度之间的日益增大的不一致性的不利影响。尽管在现代的硬盘驱动器上存在作为磁盘高速缓存的动态随机存取存储器（DRAM）以起到缓冲器的作用，但是由于类似原因此不一致性可能仍然影响计算机系统上的存储器系统的整体速度。另外，硬盘驱动器还可能消耗计算机系统所使用的功率的相当大的份额，这增加热负荷并导致嘈杂的冷却风扇的安装。
之前已经提出了使用非易失性存储器来改进硬盘驱动器的读/写性能以及减小功耗的方法。在授予DeWhitt等人的美国专利No. 7,082,495中公开了一个示例。该’495专利教授了一种要由操作系统来实现的软件方法。该操作系统提供要被放在非易失性（“NV”）存储器中的数据的列表。所述数据包括要被固定（pin）在NV存储器中的数据和动态的数据。被固定的数据持续存在于NV存储器中直到操作系统命令对其进行冲刷（flush）为止。动态数据是能够被操作系统列入优先地位但以其它方式可由硬盘驱动器控制器控制的数据。NV存储器在操作系统运行期间被用来缓冲临时文件。这减少了系统运行时使磁盘驱动器起转的次数。在运行期间，操作系统基于使用场景预测用户将需要什么数据并提供数据块列表以便进行硬盘驱动器预先高速缓存，从而使得用户可能不必等待硬盘驱动器被存取。一些数据可能被频繁需要或者被需要以进行引导。NV存储器具有高速缓存的存储块阵列，其具有固定各个块的能力。被固定的块被保存在高速缓存中直到操作系统对其进行解固定为止。可以以这样的方式对存储器进行固定：在该计算机系统的各引导之间它持续存在于NV存储器中。操作系统确定什么数据应该永久地被存储在NV存储器中并把块的列表发送到硬盘驱动器。该硬盘驱动器把那些块固定在NV存储器中直到操作系统释放所述块为止。
另外，微软通过利用NV存储器来提高磁盘读/写性能实现了诸如Vista SuperFetch和ReadyBoost的软件特征。
发明内容
本发明提供用以在没有来自操作系统的附加的软件特征的情况下管理在硬盘驱动器上作为高速缓存的非易失性（NV）存储器的方法和设备，所述附加的软件特征诸如’495专利所公开的那些。
附图说明
现在将结合相关联的图来描述各实施例，其中：
图1示出当前发明的示例性实施例。
图2示出当前发明的示例性实施例。
具体实施方式
下面详细论述示例性实施例。
图1示出当前发明的示例性实施例。硬盘驱动器100可以包括：至少一个非易失性（NV）存储器102；多个旋转硬盘介质103；与该NV存储器102和该旋转介质103进行通信的控制器104；以及与标准化的硬盘驱动器接口协议一起使用的硬件接口105。硬盘驱动器100还可以包括动态随机存取存储器（DRAM）阵列101。
当计算机正执行计算机程序时，该计算机可能需要对硬盘驱动器100上的数据进行存取。例如，对于位于转旋硬盘介质103上的数据，可能会由计算机上的操作系统产生页错误。正被计算机使用的数据中的至少一部分可以从该旋转硬盘介质103被获取到NV存储器102。NV存储器102的存在可以有效地增大可用的缓冲器大小以供计算机容纳更大尺寸的文件或者更多数目的正被同时执行的计算机程序。
在执行期间，计算机程序可以修改使用中的数据的一部分。操作系统通过计算机上的动态存储器中的逻辑数据结构可以跟踪数据中的哪部分已经被修改了。该逻辑数据结构可以是用以记录已经被修改的页的查找表。然而，通过计算机上的动态存储器中的逻辑数据结构对NV存储器上的数据的哪部分已经被修改了进行跟踪可能引起某些不希望的状况。例如，在突然断电的情况下，计算机的动态存储器中的用于跟踪NV存储器使用的逻辑数据结构可能消失，从而抵消把NV存储器用作数据存储的中间缓冲器的至少一部分好处。
控制器104可以负责管理NV存储器102中的数据而不过度依赖由计算机上的操作系统实现的附加的特征（例如’495专利所公开的那些附加的特征）。对NV存储器102中的数据的跟踪可以在硬盘驱动器100上来执行。例如，通过硬盘驱动器的控制器硬件，或者通过固件，或者通过它们的组合。例如，控制器104中的寄存器可以被用来跟踪NV存储器102中的数据的状态（例如，“1”代表被修改，“0”代表未被修改）。例如，硬盘驱动器上的嵌入固件也可以被用来跟踪NV存储器102中的状态数据。该固件可以驻留在控制器104上。例如，该固件可以在从旋转硬盘介质103例如依次地加载数据时对表结构进行填充。该表结构可以包含标志字段，该标志字段指示例如以512字节为单位的数据块的修改状态。如果计算机上的操作系统修改了被加载到NV存储器102中的数据的一部分，那么该固件可以对对应的标志字段做标记。该固件可以访问例如控制器104上的非易失性硬件以存储该表结构的至少一部分，以便确保数据完整性。
操作系统可能具有新颖的特征，诸如迟写（write-behind）策略。例如，计算机程序的写操作可以不被操作系统执行直到该计算机程序终止或者在联网的和/或共享的环境中即将发生冲突。迟写策略可以为运行该计算机程序的用户带来较高的执行速度和/或较快的响应的表面印象。在把盘上NV存储器102用作数据存储的中间缓冲器的情境中，把对NV存储器上的数据的管理完全留给也执行迟写策略的操作系统可以成为进一步的考虑的根据。例如，如果突然断电，信息可能丢失。为硬盘驱动器100保留适当量的智能可以在维持那些迟写策略的同时进一步改进数据完整性和I/O性能。
控制器104可以进一步被适配为在接收到来自计算机201上的操作系统的把数据提交到永久存储器的命令时冲刷NV存储器102中的数据。该NV存储器102可以用作中间缓冲器以保存可以通过迟写策略被存取的数据，直到操作系统向控制器104发送将数据提交到永久存储器的命令。
另外，控制器104进一步被适配为把NV存储器102中被修改的数据冲刷到旋转硬盘介质103。如果数据在NV存储器102中未被修改，那么它就可能不被提交到旋转硬盘介质103，因此节省不必要的磁盘寻道和写时间以及可能耗费在这些不必要的活动上的功率。
例如，在控制器104中可以采用可编程逻辑以便一旦计算机201上的操作系统进行请求就把NV存储器102中的被修改的数据冲刷到旋转硬盘介质103。
在NV存储器102中的数据被冲刷到旋转硬盘介质105之后，该硬盘驱动器控制器104可以保持该数据在NV存储器102中或者把NV存储器102中的该数据清除。保持该数据可以便于在计算机下次需要此数据时对该数据进行存取。例如，与引导有关的数据可以驻留在NV存储器102中以使得下次引导过程能够更快。清除此数据可以在NV存储器102上留出更多空间以供其它程序使用。
硬件接口105可以在用于连接存储装置的下列标准化接口协议之一下工作：先进技术附件（Advanced Technology Attachment, ATA）、集成驱动器电子设备（Integrated Drive Electronics, IDE）、先进技术附件包接口（Advanced Technology Attachment Packet Interface, ATAPI）、并行ATA（PATA）、串行ATA（SATA）、小型计算机系统接口（SCSI）、光纤通道或者它们的变体。
在没有盘上NV存储器的当前硬盘驱动器上可获得的最大读/写速度是在突发模式下获得的。例如，含有8-16MB的DRAM的磁盘高速缓存和具有大得多的尺寸的旋转介质的2 1/2英寸的硬盘驱动器能够在突发模式下达到高达50MB/s的峰值传送率，其中相应的可承受数据量高达200-300MB。这很大程度上是由于DRAM磁盘高速缓存的有限的大小。在本发明中引入比DRAM相对较大且比旋转介质相对较快的NV高速缓存的情况下，可以取得可承受的数据量方面的实质性改进。此改进在各种数据密集型应用中可能是有用的，所述应用例如为企业数据库或者个人家庭娱乐传送大的文件。
当前发明还可以改进数据完整性和一致性。仅有DRAM磁盘高速缓存而没有NV高速缓存的硬盘驱动器在把数据提交给磁盘的操作期间由于突然断电可能会丢失数据。硬盘驱动器100上的NV存储器102可能不需要功率来保持数据并且因此可能不易受到突然断电的影响，并且可以除去不间断电源（UPS）系统的附加费用和复杂性。
除其它因素之外，由于减少了对存取旋转介质的需要，当前发明可以导致硬盘驱动器功耗方面的相当大的降低。
图2示出当前发明的示例性实施例。计算机201经由接口200与硬盘100通信。计算机201可以是单个计算机或者计算机系统。接口200可以使得计算机201上的操作系统能够使用硬盘驱动器100。接口200包括：用以把数据从旋转硬盘介质103获取到NV存储器102的第一命令集；用以把所获取的数据传送给硬盘驱动器100上的DRAM或者传送给计算机201的第二命令集；以及用以把存储在NV存储器102中的数据冲刷到旋转硬盘介质103以供永久存储的第三命令集。用以冲刷NV存储器102中的数据的第三命令集包括在冲刷后对NV存储器102中的数据进行清除以及保持的两种功能。例如，为了冲刷硬盘驱动器100上的NV存储器102，可以执行特殊的命令。
针对先进技术附件（ATA）、集成驱动器电子设备（IDE）、先进技术附件包接口（ATAPI）和并行ATA（PATA）硬盘驱动器而言，用于28位逻辑块寻址（LBA）的命令结构的细节在下面被指出：
当硬盘驱动器100把计算机201上的程序正使用的文件的至少部分放在NV存储器102中时，计算机201可以修改该文件的一部分。通过把扇区数寄存器（Sector Count register）设置为0x01，硬盘驱动器100可以把NV存储器102中被修改的数据提交给旋转硬盘介质103，且然后可以清除NV存储器102中的此数据。如果扇区数寄存器被设置为0x00，则硬盘驱动器100可以把NV存储器102中被修改的数据提交给旋转硬盘旋转介质103，且然后可以保持NV存储器102中的此数据。
例如通过28位LBA可寻址的512字节的扇区的数目而测得的空间限制是最大为268,435,456个扇区或者137.4千兆字节。在2001年，引入了48位LBA。附加的20位允许接口寻址二进制的百万多倍（binary million more times）的空间，从而把限制增高到144千万亿字节（144,000,000千兆字节）。
命令结构的细节相应地变化且下列命令结构是支持48位的：
当硬盘驱动器100把计算机201上的程序正使用的文件的至少部分放在NV存储器102中时，计算机201可以修改该文件的一部分。类似地，通过把扇区数寄存器（Sector Count register）设置为0x01，硬盘驱动器100可以把NV存储器102中被修改的数据提交给旋转硬盘介质103，且然后可以清除NV存储器102中的此数据。如果扇区数寄存器被设置为0x00，则硬盘驱动器100可以把NV存储器102中被修改的数据提交给旋转硬盘介质103，且然后可以保持NV存储器102中的此数据。
通过遵循当前发明的真实精神，本领域普通技术人员可以进一步把该结构适配用于具有使用甚至更多位的LBA的接口。
引用的示例是针对先进技术附件（ATA）、集成驱动器电子设备（IDE）、先进技术附件包接口（ATAPI）和并行ATA（PATA）硬盘驱动器的。然而，当前发明通常可以应用于其它硬盘驱动器，包括小型计算机系统接口（SCSI）、串行ATA（SATA）、光纤通道等。例如，SATA是执行串行数据传输的串行ATA，并且因此到SATA的扩展是可行的。
本发明还可以应用于独立磁盘冗余阵列（RAID），这是因为RAID是硬盘驱动器的阵列。
使用上面指出的规定的命令可以允许计算机201上的操作系统应用新颖的算法，所述算法可以允许在把被修改的部分冲刷到旋转介质103之后把例如最频繁使用的数据或者最近使用的数据保持在NV存储器102中，因此使得有利的高速缓存能够实现。此外，硬盘驱动器100上的NV存储器102的释放（freeing up）可以使得具体的应用或者数据能够从旋转介质103被加载到NV存储器102中。这可能符合例如从NV存储器102中驱逐最近最少使用的数据的操作系统策略。除了使得NV存储器102对其它应用来说可用之外，从NV存储器102中去除数据可以确保被修改的数据被写到作为永久存储单元的旋转硬盘介质103。
上面指出的规定的命令的使用在语法上与使得没有NV存储器的当前硬盘驱动器把它们的动态RAM高速缓存中的数据提交给硬盘驱动器旋转介质的当前冲刷高速缓存命令兼容。该语法兼容性可以导致硬盘驱动器100与操作系统的容易集成。此外，该语法兼容性可以使硬盘驱动器100甚至可由被设计成用以操作没有NV存储器的当前硬盘驱动器的操作系统来操作。例如，作为默认，冲刷磁盘命令可以由控制器104来执行以把被修改的数据提交给旋转硬盘介质且然后清除NV存储器102中的此数据。因而，上述命令可以为被设计成用以操作没有NV存储器的当前硬盘驱动器的当前操作系统软件提供兼容性以便使用图1中的硬盘驱动器100。
Vista SuperFetch和ReadyBoost是来自微软的操作系统特征，其管理作为硬盘驱动器的高速缓存的NV闪存装置。为了使他们的产品工作，NV闪存装置和硬盘驱动器可以不驻留在相同的装置上，这是因为它们的发明单纯基于与它们的操作系统相关联的软件。
与可能试图把所有的智能都放到操作系统中的’495专利相反，本发明可以为硬盘驱动器自身保留合理量的智能。由于上面所阐述的原因，当前发明在不过分依赖可能使维持变得过分复杂的操作系统的情况下可以收获到与具有盘上NV存储器102的硬盘驱动器100相关联的好处。可以获得的好处包括例如在最大读-写磁盘速度、可承受的数据量、数据完整性和一致性、功耗等方面的改进。
在这里所描述的示例和实施例是非限制性的示例。
关于示例性实施例对本发明进行了详细描述，并且现在根据前述内容对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的较宽的各方面的情况下，可以进行变化和修改，且因此，如在权利要求中所定义的本发明意图覆盖落入本发明的真实精神之内的所有这样的变化和修改。
Claims (15)
1.一种使用硬盘驱动器来进行数据存储的方法，包括：
从计算机上的操作系统接收命令；
把与所述计算机正使用的文件相对应的数据的至少一部分存储在所述硬盘驱动器的非易失性（NV）存储器中；
在所述硬盘驱动器上跟踪存储在所述NV存储器中的数据的哪部分已经被所述计算机上的所述操作系统修改；以及
响应于从所述计算机上的所述操作系统接收的命令，对所述NV存储器中的数据进行冲刷以将被修改的数据提交到旋转硬盘介质。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述跟踪由所述硬盘驱动器上的内部控制器硬件和嵌入固件中的至少一个来执行。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述冲刷包括在把被修改的数据提交到所述旋转硬盘介质之后清除所述硬盘驱动器的所述NV存储器中的所述数据。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述冲刷包括在把被修改的数据提交到所述旋转硬盘介质之后保持所述硬盘驱动器的所述NV存储器中的所述数据。
5.一种由计算机使用以进行数据存储的硬盘驱动器，包括：
至少一个非易失性（NV）存储器，用以存储与计算机正使用的文件相对应的数据的至少一部分；
多个旋转硬盘介质；
与所述NV存储器、所述旋转硬盘介质和所述计算机通信的控制器，其中所述控制器被配置成接收和响应来自于所述计算机上的操作系统的接口命令，所述接口命令使得所述计算机能够使用所述硬盘驱动器，所述接口命令包括在语法上与来自没有NV存储器的硬盘驱动器的冲刷高速缓存命令兼容的冲刷高速缓存命令；以及
硬件接口，用以执行标准化协议以便连接存储装置。
6.如权利要求5所述的硬盘驱动器，还包括内部控制器硬件和嵌入固件中的至少一个，内部控制器硬件和嵌入固件中的所述至少一个跟踪所述硬盘驱动器的所述NV存储器中的数据的哪部分已经被修改。
7.如权利要求5所述的硬盘驱动器，其中，所述控制器还被适配为响应于从所述操作系统接收的命令对所述硬盘驱动器的所述NV存储器中的数据进行冲刷以把数据提交到永久存储器。
8.如权利要求7所述的硬盘驱动器，其中，所述控制器还被适配为把所述硬盘驱动器的所述NV存储器中的被修改的数据提交到所述旋转硬盘介质。
9.如权利要求5所述的硬盘驱动器，其中，所述冲刷高速缓存命令还包括用以在把被修改的数据提交到所述旋转硬盘介质之后清除所述硬盘驱动器的所述NV存储器中的所述数据的选项。
10.如权利要求5所述的硬盘驱动器，其中，所述冲刷高速缓存命令还包括用以在把被修改的数据提交到所述旋转硬盘介质之后保持所述硬盘驱动器的所述NV存储器中的所述数据的选项。
11.一种计算机或者计算机系统，包括：
硬盘驱动器，所述硬盘驱动器进一步包括：
至少一个非易失性（NV）存储器，用以存储与所述计算机正使用的文件相对应的数据的至少一部分；
多个旋转硬盘介质；
与所述NV存储器、所述旋转硬盘介质和所述计算机通信的控制器，其中所述控制器被配置成接收和响应来自所述计算机上的操作系统的接口命令，所述接口命令使得所述计算机能够使用所述硬盘驱动器，所述接口命令包括在语法上与来自没有NV存储器的硬盘驱动器的冲刷高速缓存命令兼容的冲刷高速缓存命令；以及
硬件接口，用以执行标准化协议以连接存储装置。
12.如权利要求11所述的计算机或者计算机系统，其中，所述硬盘驱动器被所述计算机授予跟踪所述硬盘驱动器的所述NV存储器中的所述数据的修改状态的任务。
13.如权利要求12所述的计算机或者计算机系统，其中，跟踪所述硬盘驱动器的所述NV存储器中的所述数据的修改状态的任务由所述硬盘驱动器上的内部控制器硬件和嵌入固件中的至少一个来完成。
14.如权利要求11所述的计算机或者计算机系统，其中，所述计算机上的操作系统向所述硬盘驱动器发送把所述硬盘驱动器的所述NV存储器中的数据提交到所述旋转硬盘介质的冲刷磁盘命令。
15.如权利要求14所述的计算机或者计算机系统，其中，所述冲刷磁盘命令使得所述硬盘驱动器的所述NV存储器中的被所述操作系统修改的数据被提交到所述旋转硬盘介质。
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