CN103348331A - 具数据管理的层级式数据储存系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种数据储存系统的操作方法，其包含下列步骤：致能用于接收主机命令的系统接口；更新映射寄存器，其监视用于该主机命令的逻辑区块地址的事务记录，包括将主机虚拟区块地址转译为用于数个储存装置的实体地址；用储存处理器访问该映射寄存器用以比较该事务记录与分级政策寄存器；以及使得一层级式储存引擎能用该系统接口传输数个主机数据区块，以及如果该储存处理器确定该等事务记录超过该分级政策寄存器，并行地传输于第0级、第1级或第2级之间。

Description

具数据管理的层级式数据储存系统及其操作方法
相关申请的交互参照
本申请主张申请于2010年10月27日的美国临时专利申请第61/407,432号及申请于2011年10月26日的美国专利申请第13/282,411号的权益，并且其主题并入本文作为参考资料。
技术领域
本发明大体有关于一种数据储存系统，且更特别的是，有关于一种用于管理服务器及网络上的数据储存器的系统。
背景技术
随着当今现代数据中心、网络化计算机及企业讯息系统产生指数递增的无结构数据，已变得愈来愈难以管理及保证经常被访问的及重要的数据驻留在最高效能储存器上，常被称作“主要储存器”，以及较旧的数据驻留在成本较低及效能较低的归档导向储存器。主要储存器的例子包括“固态盘”(“SSD”)或最高效能磁盘驱动器，例如15,000RPM的“串行附接式SCSI”(“SAS”)磁盘驱动器。
归档储存器的例子包括利用低成本磁盘驱动器技术的“次要储存器”，例如，“串行先进技术附接”(“SATA”)磁盘阵列或“大规模非活动磁盘阵列”(“MAID”)，或基于较旧磁带媒体的档案馆。每一种储存器有与访问时间、等待时间、原始效能及成本有关的不同属性。例如，以千兆字节容量为单位，高端SSD的现今价格为磁带媒体的1000倍，以及为SAS磁盘驱动器成本的50倍。
由于在成本、效能及能量上有差异，许多计算机系统愈来愈依靠虚拟化的储存环境，对于主机计算机的档案系统，它可虚拟化数种不同储存媒体为一个大型(或分段)虚拟数据卷宗，以及自动指派数据给最适当的储存类型或层级而不涉及主机计算机应用或计算机档案系统。
因此，仍需要一种具数据管理的数据储存系统。鉴于数据储存器在各效能及成本领域的需求持续在增加，找出问题的答案愈来愈重要。鉴于持续递增的商业竞争压力，以及消费者预期的增长和市场上产品差异化的有利机会在递减，找出问题的答案至关重要。另外，减少成本、改善效率及效能、以及满足竞争压力的需要也增加必需找出问题答案的急迫性。
长期以来大家都在寻找这些问题的解决方案，但是先前的开发没有教导或建议任何解决方案，因此熟谙此艺者一直对于解决这些问题的方案感到困惑。
发明内容
本发明提供一种数据储存系统的操作方法，其包含下列步骤：致能用于接收主机命令的系统接口；更新映射寄存器，其监视用于该主机命令的逻辑区块地址的事务记录，包括将主机虚拟区块地址转译为用于储存装置的实体地址；用储存处理器访问该映射寄存器用以比较该事务记录与分级政策寄存器；以及使得层级式储存引擎能用该系统接口传输主机数据区块，以及如果该储存处理器确定该事务记录超过该分级政策寄存器，并行地传输于第0级、第1级或第2级之间。
本发明提供一种数据储存系统，其包含：用于接收主机命令的系统接口；用该系统接口寻址的映射寄存器，其监视用于该主机命令的逻辑区块地址的事务记录，其包含被转译为储存装置的实体地址的主机虚拟区块地址；储存处理器，其耦合至该映射寄存器用于比较该事务记录与分级政策寄存器；以及层级式储存引擎，其耦合至该储存处理器以便用该系统接口传输主机数据区块，以及如果该储存处理器确定该事务记录超过该分级政策寄存器，并行地传输于第0级、第1级或第2级之间。
某些本发明具体实施例有其它的步骤或组件可供加入或取代以上所提及的。熟谙此艺者阅读以下参考附图的详细说明可明白该些步骤或组件。
附图说明
图1根据本发明的具体实施例图示层级式数据储存系统的功能方块图。
图2图示层级式数据储存系统的系统应用的功能方块图。
图3根据本发明的第二具体实施例图示层级式数据储存系统的系统应用的功能方块图。
图4图示用层级式数据储存系统管理的层级式储存阵列的功能方块图。
图5图示用层级式数据储存系统执行的主机读取命令的流程图。
图6图示用层级式数据储存系统执行的主机写入命令的流程图。
图7为有层级式数据储存系统的虚拟化视图的计算机系统。
图8为层级式数据储存系统的架构方块图。
图9为层级式数据储存系统的系统应用的方块图。
图10为层级式数据储存系统的后台搜索流程图。
图11为层级式数据储存系统于快照操作时的功能方块图。
图12的流程图根据本发明另一具体实施例图示层级式数据储存系统的操作方法。
具体实施方式
以下充分详述数个具体实施例使得熟谙此艺者能制作及使用本发明。应了解，基于本揭示内容显然仍有其它的具体实施例，以及在不脱离本发明范畴的情形下，可做出系统、方法或机械改变。
在以下的说明中，给出许多特定细节是为了让读者彻底了解本发明。不过，显然在没有该等特定细节下仍可实施本发明。为了避免混淆本发明，因此不详细揭示一些众所周知的电路、系统组态及制程步骤。
图示系统具体实施例的附图为半图解式且不按比例绘制，特别是，图中有些尺寸为了图示清楚而加以夸大。同样，尽管附图中的视图为了便于描述而大体以相同的方向图示，然而大部份是用任意的方式描绘附图。大体而言，可用任何方位操作本发明。
在揭示及描述有共同特征的多个具体实施例时，为了便于清晰地图解、描述及理解，通常类似及相同的特征会用相同的组件编号描述。
为了解释，本文所用的术语“水平面”的定义是与地球平面或表面平行的平面，而不管它的方向。术语“垂直”是指与刚才所定义的水平面垂直的方向。诸如“上方”、“下方”、“底面”、“顶面”、“侧面”(如“侧壁”的)、“高于”、“低于”、“较上面”、“上面”、以及“下面”等等的术语的定义相对于该水平面，如附图所示。
如本文所用的用语“处理”是指传输及储存系统数据及程序。用语“层级式储存”定义为一种其中数据可储存于效能与数据使用频率相称的装置上的结构。例如，不常用的数据，例如人口调查数据，可储存于低效能及便宜的归档储存装置上，而经常访问的程序数据可储存于以15,000RPM旋转而且通过更昂贵的高效能介通信的固态盘或磁盘驱动器上。用语“归档装置”定义为有极高容量的低效能储存装置，例如磁带储存装置，或光学媒体储存装置。
用语“第0级”定义为最高效能储存装置类，它们可包含有高效能接口的高速缓存内存结构、固态盘及最高效能磁盘驱动器。用语“第1级”定义为提供高容量的中等效能储存装置类，它们可包含有中等效能接口的磁盘驱动器。用语“第2级”定义为最低效能储存装置类，它们可包含有最低效能接口的归档装置，例如磁带储存装置或光学媒体储存装置。应了解，尽管本发明的描述使用3个层级以便解释其操作，然而其它具体实作可定义任意多个层级。许多应用通常有多个层级，不过，也可有超过3种的不同储存层级数以应付其它效能或数据保护准则，或其它储存媒体类型，例如储存级内存(SCM)，或其它新兴内存技术(亦即，相变、自旋可编程(spin-programmable)、忆阻器(memristor)及其它类似技术)。
用语“带内（in-band）”定义为一种用主接口传达系统管理讯息藉此消耗主接口的一些带宽的消息处理方法(messaging methodology)。用语“带外（out-of-band）”定义为一种用除主接口以外的构件传达系统管理讯息藉此不消耗主接口的带宽的消息处理方法。
关于层级式储存，用语“升级”的定义是意指通过实际使目标数据移到与较高效能层级关连的较高效能储存装置而使目标数据由一个效能层级传输到较高效能层级。关于层级式储存，用语“降级”的定义是意指通过实际使目标数据移到与较低效能层级关连的较低效能储存装置而使目标数据由一个效能层级传输到较低效能层级。
如用于本申请案的用语“相称”定义为适用于数据使用频率的效能水平，藉此用于常用数据的高效能储存装置与用于不常用数据的低效能储存装置。如用于本申请案的用语“自主”的定义为意指层级式数据储存系统不需要任何外部主机资源的协助或允许以使目标数据升级或降级。
图1根据本发明的具体实施例图示层级式数据储存系统100的功能方块图。层级式数据储存系统100的功能方块图描绘系统接口102，例如个人计算机快速接口(PCI-e)TM，通用串行总线(USB)TM，ThunderboltTM。系统接口102可耦合至命令处理程序104。
命令处理程序104定义为硬件加速器用以解码及执行通过系统接口102所接收的命令。例如，命令处理程序104可为组合逻辑、程序序列发生器、顺序状态机的混合物。命令处理程序104管理源自系统接口102之命令的接收，解码命令，管理命令的执行，以及用系统接口102做任何事务的错误管理及复原。
命令处理程序104可耦合至储存处理器106，例如微处理器，或嵌入微计算机。储存处理器106控制层级式数据储存系统100的整体操作而不涉及来自主机接口102的每一个数据传输请求。储存处理器106可以被中断驱动、轮询操作或其组合。该储存处理器可用分级政策寄存器108引导。分级政策寄存器108可为包含规则的寄存器阵列或非易失性内存，这些规则与通过系统接口102传输的数据的储存关连。分级政策寄存器108的规则可与主机中央处理单元(未图示)预先协商。
储存处理器106可提供与主机中央处理单元(未图示)的带内或带外管理接口(未图示)以修改分级政策寄存器108的政策或其它参数。此接口可使用例如厂商特定“SMART”命令的方法经由先进主机计算机接口(AHCI)或其它构件以与储存处理器106通信。
映射寄存器110可为被储存处理器106访问的寄存器阵列或非易失性内存，以便管理通过系统接口102传输之数据的储存位置及访问。映射寄存器110可保存事务记录111，例如通过系统接口102传输之数据的虚拟至实体区块映射及访问区块次数及频率统计量。
储存处理器106与映射寄存器110之间的互动可时刻监视通过系统接口102传输之数据是否应基于分级政策寄存器108予以升级或降级。基于分级政策寄存器108的规则，储存处理器106可决定通过系统接口102传输之数据应搬迁到效能与进入映射寄存器110之访问次数及类型相称的储存装置(未图示)。
在决定升级或降级时，储存处理器106可考虑读写于分配区块的事务记录111，包括优先权、分配给逻辑磁盘机的分级水平、任何锁定参数、以及所用的任何固态驱动器(SSD)的磨损程度。
逻辑区块地址匹配区块112耦合于命令处理程序104与映射寄存器110之间。逻辑区块地址匹配区块112可把主机虚拟区块请求转译成实体装置或其它虚拟装置请求以及迅速地识别映射寄存器110是否引用通过系统接口102收到的数据区块。逻辑区块地址匹配区块112可更新映射寄存器110而不被储存处理器106干预。
映射寄存器110接受来自逻辑区块地址匹配区块112的主机虚拟逻辑区块地址以及查找主机虚拟逻辑区块地址映射至哪一个实体磁盘，然后判断在特定实体磁盘内的哪一页及偏移量。或者，该实体磁盘可为虚拟磁盘，例如两个实体磁盘的RAID1集合。逻辑区块地址匹配区块112用查找功能把主机虚拟逻辑区块地址转换成实体磁盘页及偏移量。
命令处理程序104可耦合至层级式储存引擎114。层级式储存引擎114可接收直接来自命令处理程序104的输入用以储存或访问通过系统接口102传输之数据的区块。层级式储存引擎114视需要可保存通过系统接口102传输之数据于本地高速缓存116中，例如动态随机访问内存(DRAM)高速缓存。本地高速缓存116为层级式数据储存系统100的视需要附加物，如果不用它的话，层级式储存引擎114可直接传输数据至储存装置(未图示)，例如串行先进技术附接(SATA)磁盘驱动器(未图示)。如果使用本地高速缓存116，层级式储存引擎114可保存数据于本地高速缓存116中以便判断数据的适当效能水平装置或直接传输通过系统接口102传输之数据至储存装置。
层级式储存引擎114通过储存器端口118可访问SATA磁盘驱动器，SAS磁盘驱动器，或PCI-e附接式磁盘驱动器。储存器端口118可包含支持硬件，例如缓冲器、命令产生器及接口序列发生器，以便由本地高速缓存116或者是系统接口102传输数据至用以储存的SATA磁盘驱动器。在通过系统接口102访问数据时，命令处理程序104传达该操作给逻辑区块地址匹配区块112以便更新映射寄存器110中对于该数据区块的事务记录111。
在映射寄存器110已收集事务记录111(其关于数据区块使用量超过储存于分级政策寄存器108的极限)，储存处理器106可初始化数据区块至可通过一组储存器端口120访问它的不同效能装置(未图示)的移动。由储存处理器106初始化的数据区块移动可储存数据区块于储存组件(未图示)的适当层级中。储存组件的层级可用储存组件的效能区隔。
已发现，通过储存数据区块于提供效能与数据区块使用模式相称的储存组件，层级式数据储存系统100可维持最佳系统效能。数据区块使用量可用逻辑区块地址匹配区块112及映射寄存器110监视。基于数据区块使用量的增减，储存处理器106可升级或降级特定层级的数据。在通过系统接口102执行主机请求的数据传输后，储存处理器106可立即升级或降级该数据区块。
图2的功能方块图图示图1的层级式数据储存系统100的系统应用201。系统应用201的功能方块图描绘安装于主机计算机202(例如，服务器或工作站)内的层级式数据储存系统100，主机计算机202至少由主机中央处理单元204、耦合至主机中央处理单元204的主机内存206、及主机总线控制器208组成。主机总线控制器208提供允许主机计算机202使用层级式数据储存系统100的主机接口总线214。应了解，在有些实作中，主机总线控制器208的功能可由主机中央处理单元204提供。
层级式数据储存系统100包含层级式储存引擎114与视需要的本地高速缓存116。层级式数据储存系统100可耦合至固态盘210，例如有周边接口系统的基于非易失性内存的储存装置，或非易失性内存212，例如用于扩充或延伸型非易失性系统内存的内部内存卡。
层级式数据储存系统100也可耦合至可安装于主机计算机202内、主机计算机202外或其组合的硬盘驱动器(HDD)216。固态盘210、非易失性内存212及硬盘驱动器216都可视为直接附接储存(DAS)装置。
层级式数据储存系统100也可支持用于耦合局域网(LAN)220或储存区域网络(SAN)的网络附接端口218。网络附接端口218可供访问网络附接储存(NAS)装置222。尽管网络附接储存装置222以硬盘驱动器图示，然而这只是范例。应了解，网络附接储存装置222可包括磁带储存器(未图示)，以及与固态盘210、非易失性内存212、或硬盘驱动器216一样地通过网络附接端口218来访问的储存装置。
层级式数据储存系统100可附接至主机接口总线214，主机接口总线214是用于经由电缆224通过例如图1的串行先进技术附接(SATA)、串行式SCSI(SAS)或个人计算机快速接口(PCI-e)附接式储存装置的储存器端口120组访问及对接多个直接附接储存(DAS)装置。层级式储存引擎114及本地高速缓存116使得层级式数据储存系统100能够满足主机计算机202所提供的数据的效能要求以及储存该等数据于有相称效能的固态盘210、闪存212或硬盘驱动器216中。
已发现，层级式数据储存系统100可管理主机计算机202所提供的数据以便通过移动指定数据至有较低效能的储存装置来控制最高效能储存装置用于最常用数据的利用率。应了解，有小于最高效能以及较高卷宗容量的储存装置每百万字节有比较不贵的成本。通过储存数据于效能与数据使用模式相称的储存装置中，可有效利用最高效能储存装置的可用容量。
图3根据本发明的第二具体实施例图示层级式数据储存系统300的系统应用301的功能方块图。层级式数据储存系统300的系统应用301的功能方块图描绘有与层级式数据储存系统300的系统接口306耦合的接口电缆304的主机计算机302。应了解，层级式数据储存系统300可为有独立外壳及电源供应器的独立系统，或可在与主机计算机302相同的外壳内整合，例如刀锋服务器外壳。
接口电缆304通过系统接口306可提供主机计算机302与层级式数据储存系统300之间的通信路径。系统接口306可包含先进主机计算机接口(AHCI)、非易失性内存主机计算机接口(NVMHCI)、延伸非易失性内存主机计算机接口(NVMe)、透过PCI-e(SOP)的小计算机系统接口(SCSI)，或利用协定(例如，SCSI)的接口。
视需要，可附接基本输入输出系统(BIOS)308，例如只读内存或闪存装置。附接BIOS308提供层级式数据储存系统300的系统可开机环境，或可提供可开机程序给主机计算机302。
系统接口306可耦合至层级式储存处理器310用于执行层级式储存功能，收集数据区块的事务记录111(图1)，储存在临时效能层级的数据区块，以及基于事务记录111使数据区块升级或降级至不同效能层级或执行其它功能，例如区块层次卷宗快照功能。层级式储存处理器310可实作成为专用硬件逻辑栅及状态逻辑，微编码硬件引擎，或通用中央处理单元，其具有专用于主机计算机系统或可用它重新编程的接口逻辑以执行不同类型储存处理或分级功能。
层级式储存处理器310可耦合至本地高速缓存116，其视需要提供层级式储存处理器310的本地高速缓存。本地高速缓存116可包含视需要的功率损耗保护电路(未图示)例如，备用电池或非易失性固态内存等效物。
层级式储存处理器310可耦合至通过电缆224访问硬盘驱动器216的直接附接储存(DAS)接口312。应了解，硬盘驱动器216皆仅作范例，以及直接附接储存器接口312可耦合至串行先进技术附接(SATA)磁盘驱动器、串行式SCSI(SAS)磁盘驱动器、或PCI-e小形状因子储存装置。
层级式储存处理器310可耦合至网络附接储存(NAS)接口，该接口通过网络附接端口218可提供用以耦合局域网(LAN)220或储存区域网络(SAN)的连接线。网络附接端口218可供访问图2的网络附接储存(NAS)装置222。应了解，网络附接储存装置222可包括通过网络附接端口218访问的磁带储存器(未图示)、固态盘210、闪存212、或硬盘驱动器216。
层级式储存处理器310可耦合至网络配接器314。通过用以耦合局域网(LAN)220或储存区域网络(SAN)的网络附接端口218，可耦合网络配接器314。应了解，局域网220可供访问可用于层级式数据储存系统300的附加储存装置(未图示)。
层级式储存处理器310可耦合至快闪接口316供访问SATA储存装置、SAS储存装置、或可为固态驱动器318的PCI-e附接式储存装置。固态驱动器318经由电缆224连接或可用模组(未图示)直接嵌设于层级式数据储存系统300上或直接装上固态驱动器318的组件(未图示)以便提供本地高效能储存层级或混合层级加上用于其它储存层级的数据高速缓存。应了解，耦合至快闪接口316的储存装置可为固态驱动器318或任何其它基于非易失性内存之储存装置(未图示)。
已发现，层级式数据储存系统300可当独立周边装置操作以管理主机计算机202所提供的数据以便通过移动指定数据至有较低效能之储存装置来控制最高效能储存装置用于最常用数据的利用率。应了解，有小于最高效能以及较高卷宗容量的储存装置每百万字节有比较不贵的成本。通过储存数据于效能与数据使用频率相称的储存装置中，可有效利用最高效能储存装置的可用容量。
图4的功能方块图图示由层级式数据储存系统100管理的层级式储存阵列401。层级式储存阵列401的功能方块图描绘有至个人计算机接口总线(PCI-e)或主机本地总线之接口连接线402的层级式数据储存系统100。
接口连接线402可传达主机命令404，例如先进主机计算机接口(AHCI)命令、SOP命令、NVMe命令，以及至层级式数据储存系统100的主机数据区块406。延伸高速缓存408，例如随机访问内存，可耦合至层级式数据储存系统100。为了保护保存于延伸高速缓存408中的任何主机数据区块406，备用电池410可附接至延伸高速缓存408的紧急备用电源。延伸高速缓存408与图1的储存处理器106也可视需要用来管理及储存延伸高速缓存408以便记录事务记录111(图1)于主机数据区块406上。视需要提供备用电池410以在操作期间停电的情形下维持延伸高速缓存408的完整性。
层级式数据储存系统100用电缆224或底板连接线(未图示)耦合至第0级412的最高效能储存装置414，例如固态盘。最高效能储存装置414有能力在读出头定位于储存数据不招致机械延迟的情形下维持所有储存系统常见的档案系统结构。
层级式数据储存系统100可通过接口连接线402由延伸高速缓存408或直接由主机内存206(图2)取回主机数据区块406，以及传输储存数据418至第0级412。储存数据418的传输可包括用串行式SCSI(SAS)命令420、基于SAS的SATA隧道协定(STP)422、或用来自诸如SATA、NVMe、PCI-e或SOP之接口的其它储存器接口命令传达。层级式数据储存系统100可判断储存数据418的事务记录111表示效能要求无法辨明第0级412上的消费空间以及在储存处理器106(图1)的控制下可移动数据至第1级424或者是第2级426。
应了解，层级式数据储存系统100的层级数及定义可不同。可实现按照由最高效能储存装置414至最慢储存装置(未图示)之排序的任意多个层级。在引进新版本的最高效能储存装置414时，它们可移动现有版本的最高效能储存装置414到较低效能层级。
第1级424可包含中速储存装置428，例如串行式SCSI(SAS)磁盘或串行先进技术附接(SATA)磁盘。尽管中速储存装置428的效能小于最高效能储存装置414，然而它们可以减少每百万字节的成本而提供明显更多的容量。中速储存装置428可具有比最高效能储存装置414还慢的响应时间，因为它们必须于同心数据磁轨上机械定位读出头以便访问储存数据418。
第2级426可包含归档装置430，例如较低效能的磁盘驱动器、磁带驱动器、光学储存驱动器。由于定位或与媒体互动需要时间，归档装置430可能提供最低效能。与最高效能储存装置414及中速储存装置428相比，这些装置通常每百万字节有极低的储存容量成本但是可提供极高的容量。
尽管只图示两个最高效能储存装置414及两个中速储存装置428，然而应了解，这是范例以及任何适当数目的最高效能储存装置414及中速储存装置428可耦合至层级式数据储存系统100。
已发现，层级式数据储存系统100提供访问最高效能储存装置414、中速储存装置428以及在主机计算机302不安装软件驱动器的情形下通过接口连接线402访问主机计算机302的归档装置430(图3)。这提供以下超越专属接口的价值：在主机计算机302的现有组态下，使用者可安装层级式数据储存系统100，而不需要重新组态操作系统，以及层级式数据储存系统100也与所有标准X86服务器、工作站及PC无缝地工作而独立于它们所用的操作系统，例如VMware ESXiTM、OSXTM、Solaris X86TM、LinuxTM以及WindowsTM。
也已发现，层级式数据储存系统100可监视储存数据418的事务记录111以便判断储存数据是否可移到第0级412、第1级424或第2级426以提供效能与储存数据418之使用相称的储存装置。层级式数据储存系统100移动在第0级412、第1级424或第2级426之间的储存数据的能力可优化第0级412的容量使用以及改善整体系统效能。
应了解，为了便于了解，只以3个层级为范例描述附图及说明。可基于媒体类型、连结、写入耐久度(write endurance)、数据保护水平或效能来实现任意多个层级。
图5的流程图图示用层级式数据储存系统100(图1)执行的主机读取命令501。主机读取命令501的流程图描绘进入读取命令接收区块504的主机读取输入项502。读取命令接收区块504用图1的命令处理程序104初始化。
在事务记录区块506的匹配LBA中，命令处理程序104可激活图1的逻辑区块地址匹配区块112以便访问图1的映射寄存器110。然后，流程继续激活储存数据移至高速缓存区块508与更新LBA事务记录区块510。视需要可略过储存数据移至高速缓存区块508，在这种情形下，流程随后进入传输数据至主机区块512。
图1的层级式数据储存系统100可划分处理以便并行执行这两条流程图路径。图1的层级式储存引擎114可执行数据传输至图1的系统接口102，同时图1的储存处理器106可管理图1的事务记录111，以及可能需要处理层级的任何改变。流程的描述会讨论初始由层级式储存引擎114执行的部份，然而应了解，这两个流程部份可并行执行。
层级式储存引擎114所执行的流程进入储存数据移至高速缓存区块508或经由系统接口102直接进入主机内存。在流程的这个区块中，若使用高速缓存，层级式储存引擎114使用命令处理程序104所提供的讯息以访问第0级412(图4)、第1级424(图4)、或第2级426(图4)，以及传输储存数据418(图4)至本地高速缓存116(图1)。然后，流程进入传输数据至主机区块512。
层级式储存引擎114可通过本地高速缓存116传输数据至系统接口102用以传输至主机计算机302(图3)。在传输完成时，流程进入发送状态区块514，其中层级式储存引擎114可提供结束状态(ending status)给系统接口102用以传输该状态给主机计算机302。然后，流程进入退出区块516以结束层级式储存引擎114的执行。
同时，储存处理器106所执行的流程进入更新LBA事务记录区块510。逻辑区块地址匹配区块112可强迫更新与来自命令处理程序104之逻辑区块地址关连的虚拟至实体映射及统计。储存处理器106可由映射寄存器110(图1)取回事务记录111，以及由保存储存数据418之第0级412、第1级424或第2级426的分级政策寄存器108取回讯息。
然后，流程进入阀值检查区块518。该储存处理器可比较由映射寄存器110取回的事务记录111与读取自分级政策寄存器108的准则以判断是否已超过第0级412、第1级424或第2级426中有储存数据418位于其中之一关连者的阀值。如果没有超过阀值，储存处理器106会引导流程至退出区块516以结束储存处理器106的执行。
如果超过阀值，则流程进入决定新层级区块520。储存处理器106可判断储存数据418是否应升级或降级至第0级412、第1级424或第2级426。然后，流程进入移动储存数据区块522，其中储存数据读自旧位置以及写到第0级412、第1级424或第2级426中之一适当者。或者，在支持硬件结构中可以旗标标示储存数据用以延迟处理储存数据的搬迁。然后，储存数据418写到第0级412、第1级424或第2级426中之一适当者的新位置。
储存处理器106所执行的流程接着进入移除旧层级区块524之数据，其中储存处理器自第0级412、第1级424或第2级426中之一原始适当者移除储存数据418。然后，流程进入更新记录区块526，其中储存处理器106更新用于储存数据418的映射寄存器110输入项以指示第0级412、第1级424或第2级426中之该适当者的一适当者的新位置以及重设或调整映射寄存器110中的事务记录111。然后，流程进入退出区块516以结束储存处理器106的执行。
图6的流程图图示由层级式数据储存系统100(图1)执行的主机写入命令601。主机写入命令601的流程图描绘进入写入命令接收区块604的主机写入输入项602。写入命令接收区块604用命令处理程序104(图1)初始化。
在事务记录区块606的匹配LBA中，命令处理程序104可激活逻辑区块地址匹配区块112(图1)以便访问映射寄存器110(图1)。然后，流程继续激活移动主机数据至高速缓存区块608及更新LBA事务记录区块510两者。或者，若不使用本地高速缓存116，流程可绕过步骤608以及直接进入传输数据至层级区块612以便在备妥按规定路线发送至适当层级时，经由系统接口102(图1)直接传输来自主机内存206(图2)的数据。
层级式数据储存系统100(图1)可划分处理以便并行执行这两条流程图路径。层级式储存引擎114(图1)可执行来自系统接口102(图1)的数据传输，同时储存处理器106(图1)可管理事务记录111(图1)，以及可能需要处理层级的任何改变。流程的描述会讨论初始由层级式储存引擎114执行的部份，然而应了解，这两个流程部份可并行执行。
如果按需要实现本地高速缓存116(图1)，层级式储存引擎114所执行的流程进入移动主机数据至高速缓存区块608。在流程的这个区块中，层级式储存引擎114使用命令处理程序104所提供的讯息以传输主机数据区块406(图4)进入本地高速缓存116以准备写入第0级412(图4)、第1级424(图4)或第2级426(图4)。层级式储存引擎114可访问系统接口102用以传输自主机计算机302(图3)。在传输完成时，流程进入传输数据至层级区块612。
层级式储存引擎114可通过本地高速缓存116传输数据至第0级412、第1级424或第2级426中之一选定者作为储存数据418(图4)。在数据传输完成时，流程进入发送状态区块614，其中层级式储存引擎114可提供结束状态给系统接口102用以传输该状态给主机计算机302。然后，流程进入退出区块616以结束层级式储存引擎114的执行。
同时，储存处理器106所执行的流程进入更新LBA事务记录区块510。应了解，储存处理器106执行写入命令601的方法可与它执行读取命令501(图5)的相同。逻辑区块地址匹配区块112可强迫更新与来自命令处理程序104之逻辑区块地址关连的事务记录111。储存处理器106可由映射寄存器110(图1)取回事务记录111，以及由保存储存数据418之第0级412、第1级424或第2级426的分级政策寄存器108取回讯息。
然后，流程进入阀值检查区块518。该储存处理器可比较由映射寄存器110取回的事务记录111与读自分级政策寄存器108的准则以判断是否已超过第0级412、第1级424或第2级426中有储存数据418位于其中之一关连者的阀值。如果没有超过阀值，储存处理器106会引导流程至退出区块616以结束储存处理器106的执行。
如果超过阀值，储存处理器106的流程进入决定新层级区块520。储存处理器106可判断储存数据418是否应升级或降级至第0级412、第1级424或第2级426。然后，流程进入移动储存数据区块522，其中储存数据读自旧位置以及写到第0级412、第1级424或第2级426中之一适当者。然后，储存数据418写到第0级412、第1级424或第2级426中之一适当者的新位置。
储存处理器106所执行的流程接着进入移除旧层级区块524之数据，其中储存处理器自第0级412、第1级424或第2级426中之一原始适当者移除储存数据418。然后，流程进入更新记录区块526，其中储存处理器106更新用于储存数据418的映射寄存器110输入项以指示第0级412、第1级424或第2级426中之该适当者的一适当者的新位置以及重设映射寄存器110中的事务记录111。然后，流程进入退出区块616以结束储存处理器106的执行。
图7图示有层级式数据储存系统300之虚拟化视图的计算机系统701。有层级式数据储存系统300之虚拟化视图的该计算机描绘有耦合至层级式数据储存系统300之接口电缆304的主机计算机302。虚拟化储存器接口702允许主机计算机302侦测当作有单一储存组件704的层级式数据储存系统300。
层级式数据储存系统300可自主管理第0级412、第1级424及第2级426以便提供与数据之使用相称的优化效能。对于常常读取的数据，层级式数据储存系统300可使数据位于第0级412。以及对于写入一次而很少读取的数据，层级式数据储存系统300可使数据位于第2级426。
层级式数据储存系统300初始可能储存数据于第1级424以及视需要保持副本于本地高速缓存116(图1)中，以便产生数据的事务记录111(图1)。一旦产生适当的历史，在没有主机计算机302的知识或协助下，层级式数据储存系统300可使储存数据418(图4)升级或降级至第0级412、第1级424或第2级426中之一适当者。
已发现，层级式数据储存系统300可当作在服务器、工作站或PC内部的周边装置或当作独立外部装置操作以管理主机计算机302所提供的数据以便通过移动指定数据至有较低效能之储存装置来控制最高效能储存装置用于最常用数据的利用率。应了解，有小于最高效能以及较高卷宗容量的储存装置每百万字节有比较不贵的成本。通过储存数据于效能与数据使用模式相称的储存装置中，可有效利用最高效能储存装置的可用容量。此外，通过实现使用系统接口102(例如，AHCI、SOP或NVMe)的层级式数据储存系统300，层级式数据储存系统300会在大部份的操作系统中工作而操作系统或其驱动程序不需要做任何改变。此外此时有可能不中断地提升目前装好的系统以及为服务器或虚拟服务器环境加上分级不需要复杂的步骤。
图8图示层级式数据储存系统100(图1)的架构方块图。层级式数据储存系统100的架构方块图描绘有沟道802(例如，虚拟沟道或可寻址端口)的系统接口102用于接收主机数据区块406。该储存处理器可与命令处理程序104、映射寄存器110、层级式储存引擎114、本地高速缓存116、延伸高速缓存及备用电池408、及分级政策寄存器108互动。视需要可省略本地高速缓存116、延伸高速缓存及备用电池408。
直接附接储存器接口312可包含储存数据418的寄存器。直接附接储存器接口312可耦合至各自为第0级412(图4)，第1级424(图4)或第2级426(图4)的最高效能储存装置414、中速储存装置428或归档装置430。
直接附接储存器接口312经图示成每个端口有单一储存装置，但是这只是范例，以及任意多个储存装置可耦合至直接附接储存器接口312。选项只读内存(option read only memory)308经图示成其耦合至系统接口102，但是这只是范例，因为应了解，选项只读内存308可耦合至储存处理器106或层级式储存引擎114。
图9图示层级式数据储存系统100之系统应用901的方块图。系统应用901的方块图描绘层级式数据储存系统100，例如有分级集成电路902的主机总线配接器(HBA)。
分级集成电路902包含系统接口102、层级式储存处理器310、周边控制器904(例如，PCI-express总线控制器)、以及缓冲区管理器906。分级集成电路902可耦合至直接附接储存器接口312、映射寄存器110、分级政策寄存器108、以及有独立硬盘(RAID)功能908的集成随机阵列。
已发现，分级集成电路902可提供高度集成及小型化版本的层级式数据储存系统100，同时提供改变直接附接储存器接口312或集成RAID功能908的弹性以便支持不同的磁盘驱动器技术，例如光纤沟道或iSCSI。
图10的流程图图示层级式数据储存系统100的后台搜索1001。后台搜索1001的流程图描绘映射寄存器搜索输入项1002，其初始化由储存处理器106(图1)进行的后台轮询处理。流程立即进入设定指针至起点区块1004。
储存处理器106可寻址映射寄存器110(图1)的初始页。储存处理器106可读取映射寄存器110之目前寻址页的事务记录111(图1)。然后，流程进入检查阀值区域1006。
检查阀值区域1006要求储存处理器106读取分级政策寄存器108的内容以便比较目前寻址页的事务记录111。检查阀值区域1006可判断事务记录111是否超过由分级政策寄存器108之内容建立的极限。分级政策寄存器108的内容可建立条列于映射寄存器110之目前寻址页上之数据的逻辑区块是否应留在目前的层级，升级至较高效能层级，或降级至较低效能层级。
如果检查阀值区域1006确定超过阀值，流程进入决定新层级区块1008。在决定新层级区块1008中，储存处理器106的比较结果用来决定数据的逻辑区块应该移到那一个层级以便储存于有相称效能的层级。然后，流程进入移动数据区块1010。
移动数据区块1010可添加数据的逻辑区块至由硬件支持结构(未图示)移动的伫列，或者是实际用储存处理器106搬迁。在没有主机计算机302(图3)的任何协助或知识下，移动数据区块1010可作为后台处理的一部份升级或降级数据的逻辑区块。
流程不继续直到数据的逻辑区块已移到新的层级。当数据的逻辑区块移到新的层级时，流程进入移除数据区块1012。在此，储存处理器106可自原始层级移除数据的逻辑区块。通过抹除数据之逻辑区块的内容或更新目录，储存处理器106可移除数据的逻辑区块。
然后，流程进入更新映射寄存器区块1014。储存处理器106可更新映射寄存器110中的事务记录111以指示数据的逻辑区块已移到新层级。
然后，流程进入指针加一区块1016，其中储存处理器106寻址映射寄存器110中的后续页。指针加一区块1016也是流程的终点，如果检查阀值区域1006确定没有超过数据之逻辑区块的阀值以及数据的逻辑区块应留在目前层级的话。然后，流程进入检查所有页搜索区块1018。
如果储存处理器106确定指针正寻址超出最后一页，流程进入退出1020。如果储存处理器106确定指针未寻址超出最后一页，流程回到检查阀值区域1006以便继续搜索在下一页位置的事务记录111(图1)。
图11的功能方块图图示在快照操作1101的层级式数据储存系统100。层级式数据储存系统100的功能方块图描绘在层级式数据储存系统100内的第0级412、第1级424及第2级426。尽管第0级412、第1级424及第2级426的储存装置总容量可用于层级式数据储存系统100，然而总容量中只有一部份可用于主机计算机302(图3)。
储存处理器106可执行数种以数据迁移及保护为基础的方案，例如建立整卷快照用于建立在层级式数据储存系统100中容易复原的数据后续时间点副本。
主机储存组件1102可包含总容量中可用于主机计算机302的部份。保留快照容量1104用以储存快照数据1106，例如数据及元数据的增量卷宗变化供备份及复原用。
例如，主机逻辑区块1108可写入主机储存组件1102。在写入操作期间，反映写入前主机逻辑区块1108之内容的快照区块1110可存入快照容量1104。快照操作1101以预定时间间隔1112重复，以及储存所有的快照数据1106于快照池区1114中。
来自预定时间间隔112中之任一特定者的快照数据1106可用来再生主机储存组件1102在储存快照数据1106时一样的完整内容。应了解，任意多个快照数据1106可存入快照池区1114。快照池区1114可以循环伫列(circular queue)方式操作以便提供可恢复状态的固定时段。此外，快照数据1106、快照池1114及原始卷宗1102全部或部份驻留于层级412、424及426中之任一者上，这取决于彼等的相对活动水平以及根据图1的分级政策108。
在取得快照数据1106的每一点处，元数据记录主机储存组件1102由前一个快照数据1106直到该时间点的变化。万一主机计算机302初始化数据复原，储存处理器106可更新映射寄存器110(图1)，以暂时匹配预定时间间隔1112中对应至感兴趣区域以及提交作为只读卷宗之主机储存组件1102给作为替代主机储存组件(未图示)之主机计算机302的快照数据1106用于恢复或检查处于较早状态的原始卷宗。或者，储存处理器106可永久更新映射寄存器110以使快照数据1106的所欲副本成为目前工作的主机储存组件1102新副本。
图12的流程图根据本发明另一具体实施例图示操作层级式数据储存系统100的方法1200。方法1200包含下列步骤：在区块1202，致能用于接收主机命令的系统接口；在区块1204，更新映射寄存器，其监视用于该等主机命令之逻辑区块地址的事务记录，包括将主机虚拟区块地址转译为用于数个储存装置的实体地址；在区块1206，用储存处理器访问该映射寄存器用以比较该等事务记录与分级政策寄存器；以及区块1208，使得层级式储存引擎能用该系统接口传输数个主机数据区块，以及如果该储存处理器确定该等事务记录超过该分级政策寄存器，并行地传输于第0级、第1级或第2级之间。
因此，已发现，本发明的层级式数据储存系统及装置或产品提供重要而且在此之前未知及无法取得的解决方案、性能及功能方面用以操作层级式数据储存系统供优化层级式数据储存系统效能而不需要加载特定于层级式数据储存系统的软件驱动器。
所得到的方法、制程、设备、装置、产品及/或系统简单易懂、有成本效益、不复杂、高度通用、准确、敏感及有效，而且具体实作可通过修改习知组件供轻易、有效及经济地制造、应用及使用。
本发明的另一重要方面在于有价值地支持及服务节省成本、简化系统及提高效能的历史趋势。
结果，本发明以上及其它有价值的方面可促进技术状态至少到下一个阶段。
尽管已结合特定的最佳样式来描述本发明，显然熟谙此艺者基于上述说明应了解，仍有许多替代、修改及变体。因此，希望所有的替代、修改及变体皆落入随附权利要求书的范畴。所有迄今为止在本文及附图中提及的事项应被解释成只是用来做图解说明而没有限定本发明的意思。

Claims (10)

1.一种数据储存系统的操作方法，其包含下列步骤：
致能用于接收主机命令的系统接口；
更新映射寄存器，其监视用于该主机命令的逻辑区块地址的事务记录，包括将主机虚拟区块地址转译为用于储存装置的实体地址；
用储存处理器访问该映射寄存器用以比较该事务记录与分级政策寄存器；以及
使得层级式储存引擎能用该系统接口传输主机数据区块，以及如果该储存处理器确定该事务记录超过该分级政策寄存器，并行地传输于第0级、第1级或第2级之间。
2.如权利要求1所述的方法，其中用该系统接口传输该主机数据区块的步骤包括：
用该层级式储存引擎访问储存器端口；以及
传输储存数据通过该储存器端口的步骤包括：用该层级式储存引擎将该储存数据移到该储存器接口。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：访问耦合至该层级式储存引擎的本地高速缓存用以传输于储存数据与该主机数据区块之间。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：用该系统接口激活命令处理程序用以执行该主机命令。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：撷取主机储存组件的完整卷宗的快照数据，该主机储存组件有该第0级、该第1级、该第2级或其组合的一部份。
6.一种数据储存系统，其包含：
用于接收主机命令的系统接口；
用该系统接口寻址的映射寄存器，其监视用于该主机命令的逻辑区块地址的事务记录，其包含被转译为储存装置的实体地址的主机虚拟区块地址；
储存处理器，其耦合至该映射寄存器用于比较该事务记录与分级政策寄存器；以及
层级式储存引擎，其耦合至该储存处理器以便用该系统接口传输主机数据区块，以及如果该储存处理器确定该事务记录超过该分级政策寄存器，并行地传输于第0级、第1级或第2级之间。
7.如权利要求6所述的系统，其中用该系统接口传输的该主机数据区块包括：
被该层级式储存引擎访问的储存器端口；以及
耦合至该层级式储存引擎的本地高速缓存，其含有通过该储存器端口传输以及用该层级式储存引擎移到该储存器接口的储存数据。
8.如权利要求6所述的系统，还包含耦合至该层级式储存引擎的本地高速缓存，其存有储存数据及该主机数据区块。
9.如权利要求6所述的系统，还包含用该系统接口激活的命令处理程序用以执行该主机命令。
10.如权利要求6所述的系统，还包含有该第0级、该第1级、该第2级或其组合的一部份的主机储存组件，其包含其余部份中被该储存处理器访问的快照容量用于再生该主机储存组件的完整卷宗。
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