CN102508797B - 闪存控制扩展模块、控制器、存储系统及其数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闪存控制扩展模块、控制器、存储系统及其数据传输方法，通过在闪存控制扩展模块中设置接口单元、控制单元和交换单元，并通过闪存控制扩展模块搭建环形拓扑。采用本发明可以提高闪存控制器的扩展能力，增强多组闪存阵列之间的数据交换效率，降低传输过程中的数据阻塞，并且使得闪存控制器的设计更加灵活。本发明适合应用于固态硬盘控制器、闪存控制器等以闪存器件为存储介质的场合中，以提高闪存数据的传输效率，提高设计的灵活性和可移植性。
Description
技术领域
本发明涉及数据存储领域，具体涉及一种基于闪存存储介质的存储扩展技术。
背景技术
在现有的固态硬盘中，闪存芯片通过阵列的方式组织起来。闪存阵列被划分为了多个独立的数据通道，每个数据通道与闪存控制器之间由独立的总线连接，如图1所示。这种多通道结构不仅能够降低数据在传输过程中的相互冲突，而且还能提高闪存控制器与不同通道的闪存阵列之间的并发数据传输的性能。
然而，多通道的闪存阵列结构在有效改善闪存器件与闪存控制器之间数据吞吐率的同时，降低了闪存阵列的可扩展性。闪存控制器需要根据闪存阵列的通道数目和容量来设计硬件通道的数目、缓存的深度以及工作时钟的频率等参数。闪存控制器的这些特定的硬件设计尽管能够获得良好的数据传输性能，但却以牺牲闪存阵列的灵活性为代价。闪存阵列的结构必须与闪存控制器内部的硬件保持严格的对应关系。因而，每当闪存控制器需要应用到一种新的闪存阵列中时，都需要对闪存控制器中的硬件控制电路及其相应的固件重新进行设计和更新。这极大地延长了设计的开发周期，增加了设计的风险。因此，有必要改变目前这种因扩展闪存阵列重新设计闪存控制器的做法，解决无法灵活扩展闪存阵列的技术问题。
发明内容
本发明要解决的主要技术问题是，提供一种闪存控制扩展模块、控制器、存储系统及其数据传输方法，可以灵活的实现闪存阵列的扩展，降低研发周期和相应的研发风险。
为解决上述技术问题，本发明提供一种闪存控制扩展模块，包括：接口单元、控制单元和交换单元；控制单元与所述交换单元相连，用于解析或发送控制指令，以及对接收到的指令执行命令控制；接口单元与相邻的闪存控制器互连，用于对外提供传输扩展接口，并负责完成数据传输；交换单元分别与所述接口单元和本地闪存控制器相连，用于完成本地与外部的数据交换处理。
进一步的，所述接口单元包括：数据输出接口组，数据输入接口组，内部控制使能接口和外部控制使能接口。
本发明还提供一种闪存控制器，包括传输控制模块，还包括上述的扩展总线模块，该扩展总线模块通过其上的交换单元与传输控制模块相连。
本发明还提供一种闪存存储系统，包括形成环形连接的至少一个存储节点；每个所述的存储节点包括：闪存控制器、闪存阵列以及上述的闪存控制扩展模块，该闪存控制器用于完成该存储节点的闪存阵列的读写控制，该闪存控制扩展模块通过其上的交换单元与该存储节点的闪存控制器相连；各存储节点通过其所属的闪存控制扩展模块完成环形连接。
本发明还提供了一种闪存存储系统，包括形成环形连接的至少一个存储节点；每个所述的存储节点包括：闪存阵列以及其内设有闪存控制扩展模块的闪存控制器，该闪存控制器用于完成该存储节点的闪存阵列的读写控制；各存储节点通过其所属的闪存控制器内的闪存控制扩展模块完成环形连接。
进一步的，相邻两存储节点之间的连接方式为数据单向传输连接方式或数据双向传输连接方式。
本发明最后还提供了一种数据传输方法，包括以下处理过程：在所述各存储节点中的闪存控制扩展模块内配置所述环形网络的传输路由表；数据发起端存储节点根据需要传输数据，分配各数据包的目标存储节点，并根据所述传输路由表确定各目标存储节点的路由位置；数据发起端存储节点通过所述环形网络向各目标存储节点分别发送数据包。
进一步的，在向各目标存储节点发送数据包之前还包括：所述数据发起端存储节点根据所述传输路由表对各数据包的分配进行流量均衡处理。
进一步的，上述流量均衡处理机制为：在同一个数据传输方向上，距离发起端存储节点远的存储节点分配的数据包相对于近的存储节点分配的数据包小。
本发明的有益效果是：本发明改变了现有在闪存控制器内进行扩展的实现方式，提出在闪存控制器之间进行扩展的方式来提高闪存阵列扩展的灵活性。这种扩展方式不仅能改善现有的闪存阵列的扩展性，还能进一步挖掘闪存阵列的并行性，提高数据传输的性能。
此外本发明将各存储节点按照环形总线结构进行扩展，根据实际应用需求的不同，可以分别配置为双向传输方式以及单向传输方式。扩展以后，数据能沿着环形总线同时在多个闪存阵列中进行并发传输。这种传输方式将闪存阵列的扩展性进一步提高，同时通过并发方式增强了闪存阵列的数据传输性能。
本发明还设计了相关的流量均衡机制来提高扩展总线的效能。当数据需要由多组闪存阵列共同处理时，由总线控制模块根据路由距离，均衡所有目标存储节点的数据量，以保证各个闪存阵列中的数据操作能在基本相同的时间内完成。在目标存储节点在接收到数据后，由闪存控制器向其闪存阵列发起数据操作。由于本发明的扩展技术扩展了闪存控制器与闪存阵列的传输通道，充分发掘了两者的带宽资源，因而对于采用本发明的扩展技术的闪存阵列来说，增强了整体闪存阵列的数据传输效率。
附图说明
图1为现有闪存存储结构的示意图；
图2为本发明闪存控制扩展模块的结构示意图；
图3为本发明实施例一中的闪存存储系统的连接示意图；
图4为本发明实施例二中的接口单元的接口示意图；
图5为本发明实施例四的存储节点单向传输示意图；
图6为本发明基于实施例四的流量均衡处理示意图；
图7为本发明实施例三的存储节点双向传输示意图；
图8为本发明基于实施例三的流量均衡处理示意图；
图9为本发明流量均衡处理的控制流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的主要发明构思为设置闪存控制扩展模块用于连接相邻存储节点实现数据交互，该模块可以独立设置，也可以集成到闪存控制器中，即将其与闪存控制器中的传输控制模块相连，实现根据数据请求的类型与闪存控制器的内部总线进行协同工作。如图2所示闪存控制扩展模块包括：控制单元、接口单元和交换单元。控制单元与交换单元相连，用于完成指令解析和指令控制，具体为对各存储节点发来各类数据请求进行操作，包括对数据包的检索和目标地址的指派等。接口单元，用于对外提供传输扩展接口，连接相邻的存储节点，完成数据传输。交换单元，分别与接口单元和闪存控制器相连，用于完成内、外数据交换处理。控制单元，交互单元以及接口单元相互协同，为闪存阵列扩展通讯提供了硬件实现。
如图3所示的闪存存储系统实施例一的连接示意图。该实施例中闪存控制扩展模块被集成入了闪存控制器中，各闪存控制器通过其上的闪存控制扩展模块连接成了环形拓扑结构，每个闪存控制器对外设置有主机接口。相邻两个闪存控制器之间的连接为扩展总线，该扩展总线可以提供单向数据通道，也可以提供双向数据通道。以下以双向数据通道为例进行说明。扩展总线1连接了闪存控制器1和闪存控制器2；扩展总线2连接了闪存控制器2和闪存控制器3；扩展总线3连接了闪存控制器3和闪存控制器1。由此，扩展总线将三组闪存阵列连接为环形。扩展总线可为相邻的闪存控制器提供双向的数据通道，从而使得闪存控制器控制下的闪存阵列得到最高的传输吞吐率。在双向传输的情况下，向闪存阵列1发送的数据，可以通过扩展总线1和扩展总线3。即通过相邻的闪存阵列2和闪存阵列3发起并行数据传输，因而提高了数据的并行性。此外，扩展总线结构简单、高效，在节点数目有限的情况下，避免了在闪存控制器中设计复杂路由表所带来的额外成本开销。假如闪存控制扩展模块为与闪存控制分立的模块，也同样可以搭建环形拓扑结构，该拓扑结构为各闪存控制扩展模块环形连接，每个闪存控制扩展模块通过闪存传输控制器连接到各自对应的闪存控制器上，具体的数据传输过程不再赘述。
如图4为本发明实施例二中闪存控制扩展模块中的接口模块的接口设置示意图。为了能够实现双向传输，在接口设置时，主要接口包括：数据输出接口组，数据输入接口组，内部控制使能接口和外部控制使能接口。图4中16位输入数据信号DATA_I与1位输入有效信号IA构成了数据输入组，16位输出数据信号DATA_O与1位的输出有效信号OA构成了数据输出接口组，内部控制使能接口包括：1位的传输起始控制信号CE，1位的写控制线WR，外部控制使能接口：总线状态信号BSTA与1位的传输状态信号STA。其中，DATA_I和DATA_O信号为总线的数据信号。DATA_I信号负责接收相邻的闪存控制器传输过来的数据；DATA_O信号负责将本地的数据发送出去。IA信号用来表明收到的DATA_I信号线的数据有效；OA信号用来表明发出的DATA_O信号线的数据有效。CE信号用来表明，有本地的闪存控制器发起数据传输，而STA信号则用来监听相邻的闪存控制器是否发起数据传输。本地发起的读写操作由写控制线WR来控制，而相邻闪存控制器的操作类型则通过总线状态信号BSTA来获得。这样，通过这些信号保证了扩展总线在相邻闪存控制器之前的正常通讯。
为了适应不同的应用需求，环形连接的各存储节点可以配置为两种连接方式：双向连接方式以及单向连接方式。
实施例四为单向连接方式，图5为单向传输示意图，图6为单向传输的流量均衡处理示意图。如图5所示，相邻的总线存储节点之间仅由单向信号线相连，数据在扩展总线中按照一种方向进行传输。实施例四的单向连接方式节省了通讯接口，降低了扩展总线的复杂度，减少了扩展过程中的成本开销。如图6所示的流量均衡方式，当主机需要通过单向扩展的环形总线发起端存储节点，向目标存储节点1、2和3进行数据传输时，发起端存储节点首先向目标存储节点1发起数据传输，数据由目标存储节点1转发到目标存储节点2，再由目标存储节点2转发到目标存储节点3。发起端存储节点将根据路由距离，对发送给3个目标存储节点的数据量进行均衡。例如，发送给目标存储节点3的数据包3，比发送给目标存储节点1的数据包1以及发送给目标存储节点2的数据包2小；发送给目标存储节点2的数据包2，比发送给目标存储节点1的数据包1小。即按照距离发起端存储节点远的存储节点分配的数据包相对于近的存储节点分配的数据包小的原则进行均衡处理。这样保证了各个目标存储节点可以在基本相同的时间段内完成各自的数据操作，使得单一闪存控制器能够实时响应更多的主机数据请求。
实施例五为双向连接方式，图7为双向传输示意图，图8为双向传输的流量均衡处理示意图。如图7所示，相邻的总线存储节点之间可以由双向信号线相连，可以同时实现两个存储节点之间的双向传输。双向连接方式的扩展总线具有最佳的数据传输性能。如图8所示的流量均衡方式，当主机通过双向环形总线的发起端存储节点，向目标存储节点1、2和3进行数据传输时，发起端存储节点将同时向目标端存储节点1和目标存储节点2发起数据传输，如图8所示。此外，由于目标存储节点3与目标节点1不是直接相连，需要经过目标存储节点1和2进行中转路由。发起端节点将根据路由距离，对发送给目标存储节点3的数据量进行均衡。例如，发送给目标存储节点3的数据包3和4，比发送给目标存储节点1的数据包1以及发送给目标存储节点2的数据包2小。而数据包3和4的数据量之和与数据包1、2的数据量相当。也就是按照在同一个数据传输方向上，距离发起端存储节点远的存储节点分配的数据包相对于近的存储节点分配的数据包小的均衡原则进行处理。这样既可以保证在扩展总线上传输的数据包充分利用扩展总线，又能确保各个目标存储节点上接收到的数据量基本相同。
综合实施例四、五的说明，本发明为了能够保证扩展后的闪存阵列在数据传输中的并行性，为扩展总线设计了一种并发流量均衡方式，来进行快速的数据发送。
如图9所示为本发明流程均衡的处理流程。在闪存控制器的扩展总线模块中保存有整个扩展网络的传输路由表。当闪存控制器需要有数据传输到扩展总线上时，扩展总线模块将首先根据数据量，分配数据包的目标节点，而后根据传输路由表计算目标存储节点与发起端存储节点之间的路由位置。闪存控制扩展模块通过判断目标存储节点与本地存储节点是否相邻，决定是否启动流量均衡处理。当需要进行流量均衡处理时，闪存控制扩展模块将根据传输路由表分配各个数据包的大小，并发起传输操作将数据包发送出去。闪存控制扩展模块将在数据包发送完成后结束工作。
综上所述，采用本发明可以提高闪存控制器的扩展能力，增强多组闪存阵列之间的数据交换效率，降低传输过程中的数据阻塞，并且使得闪存控制器的设计更加灵活。这种技术适合应用于固态硬盘控制器、闪存控制器等以闪存器件为存储介质的场合中，以提高闪存数据的传输效率，提高设计的灵活性和可移植性。
以上内容是结合具体的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；因此，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的保护范围。
Claims (10)
1.一种闪存控制扩展模块，其特征在于，包括：接口单元、控制单元和交换单元；
所述控制单元，与所述交换单元相连，用于解析或发送控制指令，以及对接收到的指令执行命令控制；
所述接口单元，与相邻的闪存控制器互连，用于对外提供传输扩展接口，并负责完成数据传输；
所述交换单元，分别与所述接口单元和本地闪存控制器相连，用于完成本地与外部的数据交换处理。
2.根据权利要求1所述的闪存控制扩展模块，其特征在于，所述接口单元包括：数据输出接口组，数据输入接口组，内部控制使能接口和外部控制使能接口。
3.一种闪存控制器，包括传输控制模块，其特征在于，还包括如权利要求1或2所述的闪存控制扩展模块，所述闪存控制扩展模块通过其上的交换单元与所述传输控制模块相连。
4.一种闪存存储系统，其特征在于，包括形成环形连接的至少一个存储节点；每个所述的存储节点包括：闪存控制器、闪存阵列以及如权利要求1或2所述的闪存控制扩展模块，所述闪存控制器用于完成该存储节点的闪存阵列的读写控制，所述闪存控制扩展模块通过其上的交换单元与该存储节点的闪存控制器相连；各存储节点通过其所属的闪存控制扩展模块完成所述环形连接。
5.一种闪存存储系统，其特征在于，包括形成环形连接的至少一个存储节点；每个所述的存储节点包括：闪存阵列以及如权利要求3所述的闪存控制器，所述闪存控制器用于完成该存储节点的闪存阵列的读写控制；各存储节点通过其所属的闪存控制器内的闪存控制扩展模块完成所述环形连接。
6.根据权利要求4或5所述的闪存存储系统，其特征在于，相邻两存储节点之间的连接方式为数据单向传输连接方式。
7.根据权利要求4或5所述的闪存存储系统，其特征在于，相邻两存储节点之间的连接方式为数据双向传输连接方式。
8.一种基于权利要求4-6任一项所述的闪存存储系统的数据传输方法，其特征在于，包括以下处理过程：
在所述各存储节点中的闪存控制扩展模块内配置所述环形网络的传输路由表；
数据发起端存储节点根据需要传输数据，分配各数据包的目标存储节点，并根据所述传输路由表确定各目标存储节点的路由位置；
数据发起端存储节点通过所述环形网络向各目标存储节点分别发送数据包。
9.根据权利要求8所述的数据传输方法，其特征在于，在向各目标存储节点发送数据包之前还包括：所述数据发起端存储节点根据所述传输路由表对各数据包的分配进行流量均衡处理。
10.根据权利要求9所述的数据传输方法，其特征在于，所述的流量均衡处理机制为：在同一个数据传输方向上，距离发起端存储节点远的存储节点分配的数据包相对于近的存储节点分配的数据包小。
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