CN105183379B - 一种混合内存的数据备份系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种混合内存的数据备份系统及方法。应用于将动态随机存取存储器中的数据存储至非易失性存储器中，用户配置模块，从数据中选择出待备份的数据，并对待备份的数据进行优先级的确定，以根据优先级确定待备份的数据的备份顺序，产生待备份的数据的状态信息并发送状态信息；DRAM模块，与用户配置模块连接，动态随机存取数据；TABLE模块，分别与DRAM模块及用户配置模块连接，存储待备份的数据在DRAM模块中的状态信息；NVM模块，用于备份部分数据，对部分数据进行非易失性的存储；控制器，分别与DRAM模块、NVM模块、TABLE模块相连，根据TABLE模块中待备份的数据在DRAM模块中的状态信息将数据从DRAM模块存储至NVM模块。

Description

一种混合内存的数据备份系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种混合内存的数据备份系统及方法。

背景技术

在计算机的服务器中存储有计算结果与服务信息等重要的数据，这些数据一般临时性的存储于缓存或者是内存之中，这些数据对于企业级的服务器来说至关重要，往往会在掉电的一瞬间丢失，所以在掉电的时候，对上述数据进行及时的备份是通信领域中一个值得研究的问题。

目前对于服务器来说，南桥(South Bridge)是基于Intel处理器的个人电脑主板芯片组两枚芯片中的一枚，图1为现有技术中南桥以下涉及的数据备份独立磁盘冗余阵列(RAID)存储器的结构示意图，其中的DRAM(Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器(Storage)缓存是为了减少中央处理器透过I/O读写磁盘的次数，提升I/O读写的效率，用一部分的内存来存储访问比较频繁的磁盘的内容，磁盘缓存的存在对于数据访问的一致性带来了问题，尤其是采用write-back策略的写缓存导致异常掉电情况下内存中更新的数据未能及时写入磁盘而丢失，而NVSRAM(Non-volatile Static random accessmemory非易失性静态随机存储器)的作用就是为了备份这些重要的数据，称之为写记录(write-journal)，比如文件位置目录，文件分段表格，镜像表格，用户数据等。一般NVSRAM的容量很小，在Mb量级，比如1Mb，8Mb，16Mb，一般采用Nor Flash或者MRAM作为非易失性存储。

图2为现有技术中混合内存的结构示意图，如图2所示，南桥之上涉及的数据备份主要就是内存，为了保证数据不丢失，采用的是DRAM加上NAND FLASH的混合内存结构，在掉电后利用超级电容将全部DRAM存储的数据备份到NAND FLASH之中，以便于在系统恢复工作之后，从NAND FLASH中提取数据，继续进行后续的工作，NAND FLASH作为备份的非易失性存储，一般要求高密度，容量要大于或等于DRAM，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。NAND FLASH存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，但是在备份的时候不关心DRAM中的数据内容，所有DRAM中的数据都备份到NAND FLASH中。这种数据备份方法随着DRAM容量的增加备份时间也随之增加，且FLASH容量也随之增大，对超级电容的容量要求也越高，因此相对一般的DRAM内存，成本大大增加。所以现有技术中的混合内存结构对电容的容量要求较高，使用起来局限性较大。

发明内容

针对现有技术中混合内存数据备份系统与方法存在的缺陷，本发明设计了一种混合内存的数据备份系统及方法，该系统及方法不需要将全部的备份数据进行备份，在保证数据不丢失的前提下，降低了备份的成本。

本发明采用如下技术方案：

一种混合内存的数据备份系统，应用于将动态随机存取存储器中的数据备份至非易失性存储器中，其特征在于，所述系统包括：

用户配置模块，从所述数据中选择出待备份的数据，并对所述待备份的数据进行优先级的确定，以根据所述优先级确定所述待备份的数据的备份顺序，产生待备份的数据的状态信息并发送所述状态信息；

DRAM模块，与所述用户配置模块连接，用于动态随机存取所述数据；

TABLE模块，分别与所述DRAM模块及所述用户配置模块连接，用于存储待备份的数据在所述DRAM模块中的状态信息；

NVM模块，用于备份部分所述数据，对部分所述数据进行非易失性的存储；

控制器，分别与所述DRAM模块、所述NVM模块、所述TABLE模块相连，用于根据所述TABLE模块中待备份的数据在DRAM模块中的状态信息将所述数据从所述DRAM模块存储至所述NVM模块。

优选的，所述系统还包括：

备份电源，分别与所述DRAM模块、所述NVM模块、所述TABLE模块、所述控制器连接，用于掉电后为所述DRAM模块、所述NVM模块、所述TABLE模块、所述控制器提供电能。

优选的，所述NVM模块的存储容量小于DRAM模块的存储容量。

优选的，所述待备份的数据在DRAM模块中的状态信息包括：需要备份的所述数据在所述DRAM模块中的地址。

优选的，所述TABLE设置于所述DRAM模块中。

优选的，所述TABLE模块设置于所述NVM模块中。

优选的，根据所述待备份的数据在DRAM模块中的状态信息对所述TABLE模块进行定期更新。

优选的，在掉电之前，若所述状态信息发生改变，则在数据备份之前对所述TABLE模块进行更新。

优选的，所述待备份的数据包括：由用户配置或用户选择的应用或数据。

优选的，所述NVM模块包括采用后道工艺制程的3D存储器；以及

所述3D存储器的外围电路与所述控制器集成于同一管芯内。

优选的，所述3D存储器与所述DRAM模块的接口控制器集成于同一管芯内。

优选的，所述NVM包括3D相变存储器，所述相变存储器的存储元件与双向阈值开关分层堆积，由存储单元构成可扩展且可堆积的非易失性的3D相变存储器。

优选的，所述3D相变存储器使用相变材料作为电子存储器，所述相变材料包括多组分硫属化物；以及

通过改变所述相变材料的组分调整所述相变存储器的数据保持能力、数据写速度、耐久寿命。

一种混合内存的数据备份方法，所述方法包括：

步骤S1：DRAM模块存储数据；

步骤S2：TABLE模块产生需要备份的所述数据在DRAM模块中的状态信息；

步骤S3：混合内存掉电时控制器根据所述状态信息将所述DRAM模块中的所述待备份的数据存储至所述NVM模块中。

优选的，所述步骤S1之前还包括：

步骤S11：用户配置模块从所述数据中选择出待备份的数据，并对所述待备份的数据进行优先级的确定，以根据所述优先级确定所述待备份的数据的备份顺序。

优选的，所述步骤S2还包括：

步骤S21：在掉电之前，若所述DRAM模块中的状态信息发生改变，则在数据备份之前对所述TABLE模块进行更新；若所述状态信息未发生改变，则不更新。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种混合内存的备份方法，不必将DRAM模块中所有的数据都备份到非易失性存储设备中，同时也能保证用户真正关心的配置或选择的数据在掉电时不会丢失，降低了备份的数据量，对备份电源的容量需求也降低，因而降低了整个备份过程的成本。

附图说明

图1为本发明现有技术中RAID存储器的结构示意图；

图2为本发明现有技术中混合内存的结构示意图；

图3为本发明一种混合内存的数据备份系统实施例一的结构示意图；

图4为本发明TABLE模块的位置示意图；

图5为本发明中的数据的分类示意图；

图6为本发明中3D存储器的结构示意图；

图7为本发明系统中的用户配置模块实现的过程示意图；

图8为本发明一种混合内存的数据备份方法实施例二的示意图；

图9为本发明一种混合内存的数据备份方法之前的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，需要说明的是，下面的实施例为本发明的优选实施方式，但是如下实施例并不构成对本发明的限定。

实施例一

图3为本发明一种混合内存的数据备份系统实施例一的结构示意图；如图3所示，系统内包括DRAM模块、NVM模块、TABLE模块(标识模块)和控制器，TABLE模块与DRAM模块、NVM(Non-Volatile Memory非易失性存储器)模块相连，将DRAM模块中的待备份的数据标识信息，掉电后，控制器可以根据该信息找到DRAM模块中的数据，从而将该数据存储至NVM模块中。

DRAM模块可以包括DRAM，即传统的系统运行内存，NVM作为掉电后内存数据的部分备份，DRAM和NVM的容量不需要保持一致。因为DRAM仅仅是动态缓存，而NVM需要进行非易失性的存储，系统对两种存储器的容量需求不同的，NVM在掉电恢复这个领域应用广泛，一般采用SRAM+EEPROM方式,实现了无须后备电池的非易失性存储,芯片接口、时序等与标准SRAM完全兼容。NVM通常的操作都在SRAM中进行,只有当外界突然断电或者认为需要存储的时候才会把数据存储到EEPROM中去,当检测到系统上电后会把EEPROM中的数据拷贝到SRAM中,系统正常运行。

图4为本发明TABLE模块的位置示意图；如图4所示，本实施例有别于传统的系统就在于采用了TABLE模块(简称TABLE)，它存储了那些在掉电后DRAM中需要备份到NVM中的数据的信息，这些信息可以包括需要备份信息在DRAM中的地址等，Table可以位于DRAM中，也可以位于NVM中，也可以位于系统处理器的缓存(Cache)中。同时，本发明之所以能够减少备份的成本主要是将DRAM中的数据进行了分类，数据可以分为如下两类，图5为本发明中的数据的分类示意图；如图5所示：其一为可以在系统非易失存储器中得到的数据，比如操作系统，系统应用程序，这些数据在掉电时无需备份，其中非易失存储器可以为磁盘HDD，固态硬盘SSD等；其二为由用户配置的或者用户选择的应用或数据,这些数据不存在于系统非易失存储器中或者尚未来得及写回系统非易失存储器，因此需要在异常掉电时进行备份。

控制器根据Table控制和实现在掉电后数据从DRAM到NVM的数据备份操作，其可以是一颗独立的芯片，比如缓存至闪存控制器(cache-to-Flash Controller)芯片，也可以IP的形式集成在混合内存母板上的任意芯片中。本发明一个优选的实施例中，图6为本发明中3D存储器的结构示意图；如图6所示，NVM为采用后道工艺制程的3D存储器，即在硅片之上设置有晶体管逻辑电路膜层S，该晶体管逻辑电路膜层S可设置有3D NVM的外部控制电路、控制器和/或DRAM接口控制器等元器件，并于上述晶体管逻辑电路膜层S之上设置3D存储阵列；另外，在3D存储阵列下的管芯(die)(即设置有晶体管逻辑电路膜层S的硅片)并没有被完全利用，故可将控制器与3D存储器的外围电路集成在同一颗芯片内，此外还可以将DRAM的接口控制器与其集成在一起，使3D存储阵列下的管芯面积利用率达到最大化，节省备份系统的占用空间。

图7为本发明系统中的用户配置模块实现的过程示意图；如图7所示，用户配置模块可以用软件来实现它包含有用户选择备份的数据列表以及这些需要备份数据的优先级，比如C_x(0≤x≤n-1)表示用户选择待备份的数据，P_x表示对应的用户选择需要备份数据的优先顺序，比如P_0对应的数据内容C_2在掉电时最优先被备份，而P_n-1对应的数据内容在掉电时最后被备份。需要备份的内容由用户配置或者选择，并且包含优先级配置以确定在掉电时的备份优先顺序，并根据这些内容在DRAM中的实时存储与状态信息从而生成Table。在掉电之后由备份电源提供电力实现那些由特定用户选择的最重要的数据内容按优先级从高到低顺序从DRAM中保存到NVM。如果混合内存带有自学习功能，那么在掉电备份的过程中，自学习所产生的结果可不必备份，至此数据可以进行部分备份，同时备份的数据也可以按照数据的重要程度进行划分，之后确定备份的顺序。

实施例二

图8为本发明一种混合内存的数据备份方法实施例二的示意图；如图8所示，步骤S1：DRAM模块存储数据；步骤S2：TABLE模块产生需要备份的所述数据的信息；步骤S3：控制器根据所述信息将所述DRAM模块中的所述待备份的数据存储至所述NVM模块中。图9为本发明一种混合内存的数据备份方法之前的示意图，如图9所示，系统掉电后，处理器缓存(cache)中的脏(dirty)数据写回DRAM中，同时如果有必要更新Table，Table根据DRAM中待备份的数据的状态，由系统定期更新，在掉电过程开始的时候也进行一次更新，如果在最近一次更新到系统掉电之间并没有对DRAM中需要备份的信息进行过写操作，也就无需更新Table。DRAM中的判断单元用于实现上述的判断功能，判断单元定期判断DRAM中待备份的数据是否进行过写操作，若是，则刷新TABLE中的信息，否则，不刷新TABLE中的信息。而后，控制器根据Table中记录的需要备份数据的信息并根据优先级顺序依次将数据从DRAM备份到NVM中，当系统再次上电时，DRAM从系统非易失存储器和NVM中恢复数据，因此本发明这种混合内存的数据备份方法能够确保用户所配置或选择的数据信息在突然掉电时不会丢失，且不必将DRAM中所有的数据都备份到NVM中，降低了备份的数据量，对备份电源的容量也降低，降低了整个备份过程的成本。而且，就算某种原因导致备份电源的电力不足以备份所有DRAM中用户所配置或选择的所有数据，本发明也能够将用户配置或选择的重要的一些数据备份到NVM中。

本发明一个优选的实施例中，NVM可以采用相变存储器(phase change memory，简称PCM)设备，利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的。PCM设备使用相变材料作为电子存储器，相变材料是可在大致非晶质和大致晶质状态之间电切换的材料，包括多组分硫属化物，诸如Ge2Sb2Te5(简称GST)，多组分硫属化物在电场中经受可逆且快速的非晶质到晶质的相变。显著不同的非晶质和晶质状态电阻用作两种存储器状态，复位和置位。相变材料的状态也是非易失性的。因此，当存储器被置于表示电阻值的状态时，即使电力被切断，该值也被保留直至重新编程。通过将PCM存储元件和双向阈值开关(OTS)分层堆积，能够由存储器单元构成可扩展的且可堆叠的非易失性PCMS设备。这种PCM设备存储设备虽然设计容量很大，例如设计容量为D，但在产品初期良率很低。而应用到本实施例这种数据备份方法中，可以解决这类产品良率低及之后的库存问题，因为本发明对本发明对NVM的容量要求并不高，只要PCMS中有一部分存储空间，例如0.5D，0.25D，0.1D等，能够被用户使用，那么就可以应用到本实施例这种混合内存结构中。

此外，本实施例还可以通过人为改变GST组份使PCM设备存储设备在数据保持能力和数据编程速度及数据耐久寿命之间进行折中，以满足不同应用。本实施例混合内存对NVM的数据保持能力(retention)要求并不太高，而对数据写速度及耐久寿命(endurance)要求较高，那么可通过改变GST组份，比如增加碲的含量或者降低锗的含量，提高PCM设备的数据写速度及耐久寿命，而降低数据保持能力。因此将PCM设备应用到本发明混合内存中，不仅可以解决产品初期良率太低其及之后的库存问题，还可以通过调节GST组份使其满足不同应用需求。比如，当服务器数据中心异常掉电时，必须要能实现数据的快速备份，因此对PCM设备的写速度要求很高，而对数据保持时间要求较低，可能数据保持10天就能够满足需求了，因为10天时间已经足够让数据中心恢复到正常工作。可以说，PCM利用材料的可逆转的相变来存储信息。同一物质可以在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在，PCM便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。

综上所述，本发明提出了一种混合内存的备份方法，不必将DRAM模块中所有的数据都备份到非易失性存储设备中，同时也能保证用户真正关心的配置或选择的数据在掉电时不会丢失，降低了备份的数据量，对备份电源的容量需求也降低，因而降低了整个备份过程的成本。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (14)

1.一种混合内存的数据备份系统，应用于将动态随机存取存储器中的数据备份至非易失性存储器中，其特征在于，所述系统包括：

用户配置模块，从所述数据中选择出待备份的数据，并对所述待备份的数据进行优先级的确定，以根据所述优先级确定所述待备份的数据的备份顺序，产生待备份的数据的状态信息并发送所述状态信息，所述状态信息包括需要备份的所述数据在DRAM模块中的地址；

DRAM模块，与所述用户配置模块连接，用于动态随机存取所述数据；

TABLE模块，分别与所述DRAM模块及所述用户配置模块连接，用于存储待备份的数据在所述DRAM模块中的状态信息；

NVM模块，用于备份部分所述数据，对部分所述数据进行非易失性的存储；

控制器，分别与所述DRAM模块、所述NVM模块、所述TABLE模块相连，用于根据所述TABLE模块中待备份的数据在DRAM模块中的状态信息将所述数据从所述DRAM模块存储至所述NVM模块。

2.根据权利要求1所述的混合内存的数据备份系统，其特征在于，所述系统还包括：

备份电源，分别与所述DRAM模块、所述NVM模块、所述TABLE模块、所述控制器连接，用于掉电后为所述DRAM模块、所述NVM模块、所述TABLE模块、所述控制器提供电能。

3.根据权利要求1所述的混合内存的数据备份系统，其特征在于，所述NVM模块的存储容量小于DRAM模块的存储容量。

4.根据权利要求1所述的混合内存的数据备份系统，其特征在于，所述TABLE设置于所述DRAM模块中。

5.根据权利要求1所述的混合内存的数据备份系统，其特征在于，所述TABLE模块设置于所述NVM模块中。

6.根据权利要求1所述的混合内存的数据备份系统，其特征在于，根据所述待备份的数据在DRAM模块中的状态信息对所述TABLE模块进行定期更新。

7.根据权利要求6所述的混合内存的数据备份系统，其特征在于，在掉电之前，若所述状态信息发生改变，则在数据备份之前对所述TABLE模块进行更新。

8.根据权利要求1所述的混合内存的数据备份系统，其特征在于，所述待备份的数据包括：由用户配置或用户选择的应用或数据。

9.根据权利要求1所述的混合内存的数据备份系统，其特征在于，所述NVM模块包括采用后道工艺制程的3D存储器；以及

所述3D存储器的外围电路与所述控制器集成于同一管芯内。

10.根据权利要求9所述的混合内存的数据备份系统，其特征在于，所述3D存储器与所述DRAM模块的接口控制器集成于同一管芯内。

11.根据权利要求1所述的混合内存的数据备份系统，其特征在于，所述NVM包括3D相变存储器，所述相变存储器的存储元件与双向阈值开关分层堆积，由存储单元构成可扩展且可堆积的非易失性的3D相变存储器。

12.根据权利要求11所述的混合内存的数据备份系统，其特征在于，所述3D相变存储器使用相变材料作为电子存储器，所述相变材料包括多组分硫属化物；以及

通过改变所述相变材料的组分调整所述相变存储器的数据保持能力、数据写速度、耐久寿命。

13.一种混合内存的数据备份方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：DRAM模块存储数据；

步骤S2：TABLE模块产生需要备份的所述数据在DRAM模块中的状态信息，所述状态信息包括需要备份的所述数据在所述DRAM模块中的地址；

步骤S3：混合内存掉电时控制器根据所述状态信息将DRAM模块中的待备份的数据存储至NVM模块中;

所述步骤S1之前还包括：

步骤S11：用户配置模块从所述数据中选择出待备份的数据，并对所述待备份的数据进行优先级的确定，以根据所述优先级确定所述待备份的数据的备份顺序。

14.根据权利要求13所述的混合内存的数据备份方法，其特征在于：所述步骤S2还包括：

步骤S21：在掉电之前，若所述DRAM模块中的状态信息发生改变，则在数据备份之前对所述TABLE模块进行更新；若所述状态信息未发生改变，则不更新。