CN102541458B - 一种提高电子硬盘数据写入速度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高电子硬盘数据写入速度的方法，该方法是：在电子硬盘的控制器外部连接128MByte容量的缓存，该缓存作为接口数据的临时存储空间；当电子硬盘接口的数据写入速度大于闪存控制器对闪存的写入速度时，把数据临时存放在该缓存中；当对闪存的操作空闲时，从该缓存中读取数据再写入到闪存中。本发明具有电子硬盘整体数据写入速度快速平稳，不会出现硬盘容量使用到一定程度的时候，硬盘的数据写入速度突然下降的情况；能提高端口的数据吞吐率；由于系统中增加了电容整列作为后备电源，使得在非正常掉电情况下也能保证数据不丢失，保证再次上电后电子硬盘的正常工作的优点。

Description

一种提高电子硬盘数据写入速度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高电子硬盘数据写入速度的方法。

背景技术

闪存作为一种新的非易失性存储介质，以其存储密度大、携带方便、功耗低、掉电数据保持时间长及抗震性好等诸多优点，已经在消费类电子领域非常普及。在工业及军工领域，也越来越受到重视和欢迎。在一些大容量数据存储应用场合，往往会有多片闪存级联或者组成整列使用，以扩大存储空间和提高数据的吞吐量。但是，由于闪存在写入数据后需要进行较长时间的等待，以确保数据正确写入。典型的，一次写入需要等待200us，最大等待时间需要700us。如果按照正常的操作思路，向闪存中写入数据后就进行等待，数据的写入速度会很慢，无法满足实际的使用要求。

为了提高数据写入速度，现在的闪存控制器往往采用多通道并行工作的方式，在一定程度上能提高读写速度。

此外，闪存具有写入后必须先擦除才能再次写入的特性。这个特性使得当用户需要向一段已经被写入过的地址空间重新写入数据时，必须进行相应的处理。这样的处理包括数据的搬移、地址的重映射、块擦除和数据的重新写入。

由于闪存本身所具有的上述特点，所以电子硬盘在数据写入的时候，尤其是硬盘容量使用到一定的比例以后，写入速度会大幅下降，这在有些场合是不能被忍受的。控制器内部优化的地址映射方法能一定程度上改变这种写入速度突然降低的现象，但是不能完全避免，效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高电子硬盘数据写入速度的方法，其解决了现有技术中电子硬盘容量使用到一定程度，写入速度会突然降低的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种提高电子硬盘数据写入速度的方法，其特殊之处在于，该方法是：

在电子硬盘的控制器外部连接128MByte容量的缓存，该缓存作为接口数据的临时存储空间；

当电子硬盘接口的数据写入速度大于闪存控制器对闪存的写入速度时，把数据临时存放在该缓存中；当对闪存的操作空闲时，从该缓存中读取数据再写入到闪存中。

上述缓存由设置于闪存控制器内的外部缓存管理单元控制工作。

上述缓存管理单元包含写FIFO模块、读FIFO模块和外部缓存读写控制单元模块；

当来自外部接口的数据要写入到缓存中时，数据先进入到写FIFO中，由外部缓存读写控制单元从写FIFO中获取数据，把数据写入到外部缓存中；

当闪存控制器检测到闪存阵列控制单元空闲时，会启动外部缓存读写控制单元从外部缓存中读取数据；

读取的数据先进入到读FIFO中，然后由闪存读写控制单元从读FIFO中获取数据，写入的闪存阵列中去。

上述提高电子硬盘数据写入速度的方法，其特殊之处在于，该方法还包括提供一个由电容阵列组成的后备电源，该后备电源保证在电子硬非正常断电的情况下，缓存中的数据和控制器产生的管理信息能完全写入到闪存中。

上述电容阵列由若干个电容先并联再串连的方式来组成。

本发明具有如下优点：

1、电子硬盘整体数据写入速度快速平稳，不会出现硬盘容量使用到一定程度的时候，硬盘的数据写入速度突然下降的情况。采用专门的硬盘速度测试软件会发现，端口的写入速度一直都能很平稳的维持在正常的写入速度上。

2、能提高端口的数据吞吐率。由于控制器从端口接收到数据之后，直接先存放在缓存中，而缓存的写入速度大大高于闪存的写入速度。故采用大缓存后会发现，端口的数据写入速度会明显提高。

3、由于系统中增加了电容整列作为后备电源，使得在非正常掉电情况下也能保证数据不丢失，保证再次上电后电子硬盘的正常工作。

附图说明

图1为本发明的电子硬盘系统结构框图。

图2为本发明的数据写操作时外部缓存管理示意图。

图3为本发明的电容阵列示意图。

具体实施方式

本发明在电子硬盘的控制器外部连接一个大容量的缓存，该缓存作为接口数据的临时存储空间。当电子硬盘接口的数据写入速度大于闪存控制器对闪存的写入速度时，把数据临时存放在该缓存中；当对闪存的操作空闲时，从该缓存中读取数据再写入到闪存中。

本发明还考虑了系统非正常断电的情况。当外部非正常断电时，电子硬盘有可能存放在缓存中的数据有可能没有完全写入到闪存中去，此外，控制器的一些管理信息也可能没有保存或者没有完全保存，这样再系统再次上电的时候，会造成数据的丢失甚至电子硬盘管理信息的丢失，这是很严重的问题。所以需要在系统中增加由电容阵列组成的后备电源，以保证缓存中的数据和控制器产生的管理信息能完全写入到闪存中去。

如图1所示，本发明所实现的电子硬盘包括外部接口、闪存控制器、数据缓存、电容阵列和闪存阵列几个部分。外部接口即硬盘的PATA口或者SATA口，是整个系统对外传输数据的接口；闪存控制器是整个系统的核心，负责完成数据读写时的地址映射、闪存阵列的管理和外部缓存的管理，闪存控制器还包括两个主要单元：外部缓存管理单元和闪存阵列读写管理单元。其中外部缓存管理单元是本发明的区别于其他常规电子硬盘的特殊之处；外部缓存是用来临时存放外部接口传输过来的数据；电容阵列即系统的后备电源，正常供电时电容充电，当系统非正常断电时，电容阵列处于放电状态，为整个系统提供临时的电源保障；闪存阵列是由多个闪存芯片组成的阵列结构，是电子硬盘的存储载体。

正常情况下，电子硬盘在存储数据时，闪存控制器接收来自外部接口的数据，会直接进行地址隐射，把数据写入到闪存阵列中去。由于闪存控制器对闪存阵列的写入速度一般都低于外部接口的数据写入速度，所以当连续写操作建立起来之后，要保证数据不丢失，要么连续接收外部接口数据，临时存放在外部缓存中，待闪存阵列端的操作处于空闲状态时再从外部缓存取出临时存放的数据写入到闪存中；要么中断外部接口的数据传输，待闪存阵列端的操作处于空闲状态时再恢复数据传输。由于从中断外部接口的数据传输到再恢复传输，闪存控制器会耗费较长的时间，而且在中断传输这段时间内闪存控制器处于空闲状态，也是一种资源的浪费，所以采用第二种方法的电子硬盘一般都会表现出数据写入速度较低，且数据写入速度不稳定。本发明采用前一种方法，实际验证证明，采用该方法可以大大提高外部接口的数据传输效率。

图2描述了数据先写入到外部缓存，再从外部缓存中读取出来，然后写入到闪存阵列的过程。缓存管理单元在闪存控制器中实现，虚线框内为缓存管理单元包含的模块，分别为写FIFO模块、读FIFO模块和外部缓存读写控制单元模块。当来自外部接口的数据要写入到缓存中时，数据先进入到写FIFO中，由外部缓存读写控制单元从写FIFO中获取数据，把数据写入到外部缓存中；当闪存控制器检测到闪存阵列控制单元空闲时，会启动外部缓存读写控制单元从外部缓存中读取数据。读取的数据先进入到读FIFO中，然后由闪存读写控制单元从读FIFO中获取数据，写入的闪存阵列中去。

正常供电时，电容阵列组成的后备电源处于充电状态，直至电容阵列充电完成。当系统断电后，电容阵列自动切换到放电状态，给系统供电，让控制器能够把外部缓存中的数据及时的写入到闪存阵列中去，同时保存整个电子硬盘的管理信息。

由于每个电容存储的能量有限，为了使得电容存储的能量满足系统需求，本发明中采用了若干个电容先并联再串连的方式来组成电容阵列。其示意图如图3所示。

Claims (2)

1.一种提高电子硬盘数据写入速度的方法，其特征在于，该方法是：

在电子硬盘的控制器外部连接128MByte容量的缓存，该缓存作为接口数据的临时存储空间，外部缓存为一个DRAM存储芯片，其容量可根据实际需求进行扩展；该缓存通过设置于闪存控制器内的外部缓存管理单元进行控制；外部缓存管理单元、读FIFO控制逻辑和写FIFO控制逻辑在FPGA内部实现，这三个单元共同完成对外部缓存的控制管理功能，并封装为一个标准的FIFO接口，提供给FPGA内部的上一层应用逻辑使用；

该缓存的目的是用来平滑电子硬盘接口速度和闪存读写速度的差异；当电子硬盘各个通道的闪存处于空闲状态时，闪存的读写速度高于硬盘接口速度，来自硬盘接口的数据直接写入到各个通道的闪存芯片中；当某些闪存通道的芯片处于繁忙状态时，来自硬盘接口的数据来不及写入到闪存芯片中，则来自硬盘接口的数据首先进入到缓存中，待闪存芯片处于空闲时再把缓存中的数据写入到闪存芯片中去。

2.根据权利要求1所述提高电子硬盘数据写入速度的方法，其特征在于，该方法还包括提供一个由电容阵列组成的后备电源，该后备电源保证在电子硬非正常断电的情况下，缓存中的数据和控制器产生的管理信息能完全写入到闪存中；所述电容阵列由若干个电容先并联再串连的方式来组成。