CN102981783A - 一种基于Nand Flash的Cache加速方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于NandFlash的Cache加速方法，属于计算机存储领域，在计算机中使用NandFlash芯片作为Cache；在计算机的CPU总线上连接一组NandFlash控制器和NandFlash芯片，CPU可通过NandFlash控制器直接访问NandFlash芯片；通过计算机的算法软件将计算机访问频率高的数据拷贝至NandFlash芯片，当CPU读取数据时优先从NandFlash芯片中读取，当NandFlash芯片中没有所要读取的数据时，再从硬盘中读取。本发明将计算机系统的存储速度提高到闪存的水平，并且同时发挥了传统硬盘容量大的优势。

Description

一种基于Nand Flash的Cache加速方法
 
技术领域
本发明涉及计算机存储技术领域，具体地说是一种基于Nand Flash的Cache加速方法。
背景技术
磁盘是目前使用广泛的存储设备，在磁盘中通过磁头的寻道及盘片的选择对数据进行访问，主要缺点是依赖电机的机械转动，随即访问性能较差，可靠性较低。
Nand-flash内存是flash内存的一种，其内部采用非线性宏单元模式。Nand Flash的结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。Nand Flash具有存取速度快、功耗小、抗震等特点。
Cache--高速缓冲存储器。高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器，容量比较小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。
现有计算机系统中采用的是“CPU-内存-硬盘”三级存储模式中，即CPU读取数据时先从内存中抓取，如果内存中没有再从硬盘中读取，其中CPU和内存之间的数据吞吐量已超过10GB/s,而硬盘（机械）的连续数据传输速率只有100MB左右，这使得硬盘在很多时候成为系统的瓶颈。如果使用固态硬盘做硬盘使用，虽然可以提高系统的存储速度但是大大增加了系统的存储成本并且容量小。
若能够将Nand Flash组成作为Cache应用，则可解决现有技术中存在的缺点。
发明内容　　
　　本发明的技术任务是提供一种可以将系统的存储速度提高到闪存的水平，而容量却可以发挥传统硬盘的优势的一种基于Nand Flash的Cache加速方法。
本发明的技术任务是按以下方式实现的，在计算机中，利用Nand Flash作为Cache来提高计算机的系统存储速率，即使用Nand Flash芯片作为Cache，采用的是CPU-Nand Flash芯片-内存-硬盘的存储模式，Nand Flash芯片、内存及硬盘均与CPU连接；在计算机的CPU总线上连接一组Nand Flash控制器和Nand Flash芯片，Nand Flash控制器连接并控制Nand Flash芯片，CPU可通过Nand Flash控制器直接访问Nand Flash芯片；通过计算机的算法软件将计算机访问频率高的数据拷贝至Nand Flash芯片，当CPU读取数据时优先从Nand Flash芯片中读取，当Nand Flash芯片中没有CPU所要读取的数据时，CPU再从硬盘中读取。
NAND Flash芯片的容量为20GB以内。
CPU通过IO总线连接Nand Flash控制器，Nand Flash控制器通过IO总线连接Nand Flash芯片。
所述方法的具体步骤为：
（1）、计算机的CPU连接Nand Flash控制器，Nand Flash控制器连接并控制Nand Flash芯片，CPU可通过Nand Flash控制器直接访问Nand Flash芯片；
（2）、按照块的方式将Nand Flash芯片的容量划分为多个缓存块，为每一个缓存块进行编号；
（3）、CPU从硬盘中读取数据时，算法软件会实时对数据块的访问频率进行统计；每隔半小时就对数据块按照访问频率进行排序；
（4）、算法软件根据该上述排序结果将访问频率高的数据拷贝至Nand Flash芯片中，若Nand Flash芯片中没有空闲缓存块，则将Nand Flash芯片中长期没有使用的缓存块内的数据清理掉，以便拷贝访问频率高的数据；
（5）、CPU读取数据时优先从Nand Flash芯片中读取，若CPU所要读取的数据全命中Nand Flash芯片中的缓存块，则CPU从Nand Flash芯片中读取数据；
（6）、若CPU所要读取的数据没有全命中Nand Flash芯片中的缓存块时，则CPU从硬盘中读取数据；
（7）、当CPU写入数据时，优先将数据写入到Nand Flash芯片中；当硬盘处于空闲的时候再将Nand Flash芯片中的数据写入硬盘。
本发明的一种基于Nand Flash的Cache加速方法具有以下优点：
1、具有存取速度快，掉电非易失性的特点；
2、将Nand Flash作为内存和硬盘之间的缓存来使用，提高CPU对硬盘的读取、写入效率；
3、Nand Flash芯片通过IO总线连接在CPU上，通过算法软件，CPU可以直接对Nand Flash芯片进行读写，降低系统延迟时间；
4、如果单纯使用固态硬盘做硬盘使用，一是价格高，二是容量小；使用Nand Flash芯片作为Cache，具有价格低、高性价比等特点；
5、提高硬盘的可靠性，因为减少从硬盘的读写次数使得硬盘的使用寿命增加；因而，具有很好的推广使用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
附图1为一种基于Nand Flash的Cache加速方法的硬件结构连接框图。
具体实施方式
参照说明书附图和具体实施例对本发明的一种基于Nand Flash的Cache加速方法作以下详细地说明。
实施例：
本发明的一种基于Nand Flash的Cache加速方法，在计算机中，利用Nand Flash作为Cache来提高计算机的系统存储速率，即使用Nand Flash芯片作为Cache，采用的是CPU-Nand Flash芯片-内存-硬盘的存储模式，Nand Flash芯片、内存及硬盘均与CPU连接；在计算机的CPU总线上连接一组Nand Flash控制器和Nand Flash芯片，Nand Flash控制器连接并控制Nand Flash芯片，CPU可通过Nand Flash控制器直接访问Nand Flash芯片；通过计算机的算法软件将计算机访问频率高的数据拷贝至Nand Flash芯片，当CPU读取数据时优先从Nand Flash芯片中读取，当Nand Flash芯片中没有CPU所要读取的数据时，CPU再从硬盘中读取。
NAND Flash芯片的容量为20GB以内。
CPU通过IO总线连接Nand Flash控制器，Nand Flash控制器通过IO总线连接Nand Flash芯片。
所述方法的具体步骤为：
（1）、计算机的CPU连接Nand Flash控制器，Nand Flash控制器连接并控制Nand Flash芯片，CPU可通过Nand Flash控制器直接访问Nand Flash芯片；
（2）、按照块的方式将Nand Flash芯片的容量划分为多个缓存块，为每一个缓存块进行编号；
（3）、CPU从硬盘中读取数据时，算法软件会实时对数据块的访问频率进行统计；每隔半小时就对数据块按照访问频率进行排序；
（4）、算法软件根据该上述排序结果将访问频率高的数据拷贝至Nand Flash芯片中，若Nand Flash芯片中没有空闲缓存块，则将Nand Flash芯片中长期没有使用的缓存块内的数据清理掉，以便拷贝访问频率高的数据；
（5）、CPU读取数据时优先从Nand Flash芯片中读取，若CPU所要读取的数据全命中Nand Flash芯片中的缓存块，则CPU从Nand Flash芯片中读取数据；
（6）、若CPU所要读取的数据没有全命中Nand Flash芯片中的缓存块时，则CPU从硬盘中读取数据；
（7）、当CPU写入数据时，优先将数据写入到Nand Flash芯片中；当硬盘处于空闲的时候再将Nand Flash芯片中的数据写入硬盘。
本发明的一种基于Nand Flash的Cache加速方法，除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (4)

1.一种基于Nand Flash的Cache加速方法，其特征在于在计算机中，利用Nand Flash作为Cache来提高计算机的系统存储速率，即使用Nand Flash芯片作为Cache，采用的是CPU-Nand Flash芯片-内存-硬盘的存储模式，Nand Flash芯片、内存及硬盘均与CPU连接；在计算机的CPU总线上连接一组Nand Flash控制器和Nand Flash芯片，Nand Flash控制器连接并控制Nand Flash芯片，CPU可通过Nand Flash控制器直接访问Nand Flash芯片；通过计算机的算法软件将计算机访问频率高的数据拷贝至Nand Flash芯片，当CPU读取数据时优先从Nand Flash芯片中读取，当Nand Flash芯片中没有CPU所要读取的数据时，CPU再从硬盘中读取。
2.根据权利要求1所述的一种基于Nand Flash的Cache加速方法，其特征在于NAND Flash芯片的容量为20GB以内。
3.根据权利要求1所述的一种基于Nand Flash的Cache加速方法，其特征在于CPU通过IO总线连接Nand Flash控制器，Nand Flash控制器通过IO总线连接Nand Flash芯片。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于Nand Flash的Cache加速方法，其特征在于所述方法的具体步骤为：
（1）、计算机的CPU连接Nand Flash控制器，Nand Flash控制器连接并控制Nand Flash芯片，CPU可通过Nand Flash控制器直接访问Nand Flash芯片；
（2）、按照块的方式将Nand Flash芯片的容量划分为多个缓存块，为每一个缓存块进行编号；
（3）、CPU从硬盘中读取数据时，算法软件会实时对数据块的访问频率进行统计；每隔半小时就对数据块按照访问频率进行排序；
（4）、算法软件根据该上述排序结果将访问频率高的数据拷贝至Nand Flash芯片中，若Nand Flash芯片中没有空闲缓存块，则将Nand Flash芯片中长期没有使用的缓存块内的数据清理掉，以便拷贝访问频率高的数据；
（5）、CPU读取数据时优先从Nand Flash芯片中读取，若CPU所要读取的数据全命中Nand Flash芯片中的缓存块，则CPU从Nand Flash芯片中读取数据；
（6）、若CPU所要读取的数据没有全命中Nand Flash芯片中的缓存块时，则CPU从硬盘中读取数据；
（7）、当CPU写入数据时，优先将数据写入到Nand Flash芯片中；当硬盘处于空闲的时候再将Nand Flash芯片中的数据写入硬盘。
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