CN108334459A - 一种多端口固态硬盘的实现方案 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多端口固态盘实现方案。该方案至少包括两个独立的固态盘控制器1，各自拥有独立的上游接口2、缓存接口3及闪存接口4。该方案还包括一个独特的缓存控制器5。该缓存控制器包括至少两个上游接口用以分别连接到不同的上述缓存接口3，及至少一个下游接口用以连接到至少一组缓存器。该方案中的至少一个独立固态盘控制器分别从上游主机接受指令，这些指令通过对应的缓存接口传入上述缓存控制器5。缓存控制器将原属各独立固态盘控制器所管理的NAND Flash进行统一管理，并汇集从不同上游主机收到的指令按预定规则构建成合成指令序列。该合成指令序列中的操作指令将按预定策略分发到各独立固态盘控制器完成数据传输操作。

Description

一种多端口固态硬盘的实现方案
技术领域
本发明涉及固态信息存储设备领域，特别涉及多端口固态盘的系统架构和实现方法。
背景技术
近年来固态硬盘的发展非常迅速，正以惊人的速度取代传统机械式硬盘，在很多应用中成为计算机系统信息存储设备的首选。按照应用场景的要求，固态盘可以大致被分类成消费类与服务器类。对消费类来说，产品的成本及最高传输速度通常为终端用户的重点关注指标。而对数据中心/服务器类应用来说性能的稳定性特别是对系统故障的容忍能力成为系统性能的重要指标。
一种在数据中心中增强系统可靠性的技术是数据通路双备份技术。该技术将数据通路上参与数据传输的关键部件，包括服务器(Server)、控制卡 (HBA)及交换机(Switch)都配置双份(图2)，任何单一部件的损坏都不会造成数据无法存取的状况。在这种系统中使用的存储设备(硬盘)必须采用双端口存储设备。这类存储设备(如固态硬盘)可以接受从多于一条路径传输来的存取指令完成存储设备与多个Host直接的数据传输，当其中一条传输路径上发生故障时，系统仍能正常工作，从而增强系统可靠性。
虽然在上述应用中双端口的固态硬盘非常重要，但目前市场上的固态盘控制器绝大多数为单通道，双端口固态盘控制器目前还相当少见。原因是处理多通道传输所引起的系统复杂性的增加和由此引起的成本与开发难度的增加，并且之这类控制器只适合在数据中心/企业级应用，其他场合基本用不到。这导致有限的市场需求量，致使控制器供应商缺乏动力来研发多通道控制器。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种双端口固态盘的实现方案，其优点在于所实现的双端口硬盘是基于单端口固态硬盘控制器及一个相对低成本的辅助缓存控制器。
本发明公开了一种实现多端口固态盘的技术方案，(参照图1)其组成部分包括：
至少两个单端口固态盘控制器1，各自含有NAND Flash接口4，上游接口2及缓存接口3；
上述多个单端口固态盘控制器1所包含的多个NAND Flash接口4中至少有一个与一组NAND Flash颗粒7形成电连接。
至少一个多端口缓存控制器5，含有至少两个上游接口9及至少一个下游接口10；
上述缓存控制器的至少两个上游接口9将与上述固态盘控制器的缓存接口3形成电连接。
上述缓存控制器的至少一个下游接口10将与一组存储器6形成电连接。
上述多端口固态硬盘，其中所述上游接口2实现SATA协议；
上述多端口固态硬盘，其中所述上游接口2实现PCIe协议；
上述多端口固态硬盘，其中所述上游接口2实现SAS协议；
上述多端口固态硬盘，其中所述上游接口2的数目是2；
上述多端口固态硬盘，其中所述上游接口2的数目大于2；
上述缓存控制器5，其所控制的缓存6为传统半导体存储器，包括DRAM 或SRAM；
上述缓存控制器5，其所控制的缓存6为新型非挥发存储器，包括MRAM， RRAM，3D-XPoint等等。
上述缓存控制器5由FPGA来实现；
上述缓存控制器5由ASIC来实现；
本发明还公开了一种上述多端口固态硬盘的控制操作流程。该流程包括如下步骤：
步骤1:上述多个固态盘控制器1分别从上游Host接口2获取操作指令并解析成对NAND阵列7的操作指令，包括地址、长度与读、写命令。
步骤2:经过解析的操作指令通过缓存接口3传至上述缓存控制器5。
步骤3:缓存控制器5中的控制电路及控制程序将从各个上游接口9收到的操作指令按预定的规则构建成合并指令队列。
步骤4:缓存控制器5中的控制电路或控制程序将合并指令队列中的操作指令按预定的规则分发到缓存控制器中为各单端口固态盘控制器所建的指令队列。
步骤5:上述多个单端口固态盘控制器1按约定方式感知并获取缓存控制器5中所对应的指令队列中的操作指令。
步骤6:上述多个单端口固态盘控制器1执行上述所获指令，并完成主机接口2与存储介质7之间的数据传输。借助缓存控制器5，交叉数据传输亦成可能。例如，图1中的Host1可以通过缓存控制器5与SSD Controller 2所连接的NAND Flash 7交换数据。
步骤7:指令执行结果将按约定方式通过缓存控制器5回报给对应的上游接口2。
上述多端口固态硬盘的控制操作流程，其中在步骤4各个固态盘控制器1所属的NAND Flash被合并成一个统一管理的NAND Flash池。上述多端口固态硬盘的总容量为所有NAND Flash对应容量的总和。
上述多端口固态硬盘的控制操作流程，其中在步骤4合并指令队列中的每一条指令被发到所有固态盘控制器1。这种操作的有益效果是数据得到多重备份，增加数据可靠性。
上述多端口固态硬盘中的缓存控制器5，可以作为RAID控制器(RAID0， RAID 1，RAID 5等)，将所属多个固态盘控制器1按所需RAID算法加以管理，从而实现所需的容量扩充，或可靠性提升。
本发明所述多端口固态硬盘实现方案的有益效果是可以利用已有单端口固态盘控制器，依靠一颗相对低成本、较易开发的缓存控制器实现多端口固态硬盘。此外，该方案可以灵活地实现容量加倍或可靠性增强。
附图说明
图1是本发明所公布的方案的结构框图；
图2是双通道存储系统架构；
图3是单通道固态盘的基本原理框图；
图4是双通道固态盘的基本原理框图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图3所示为单端口固态盘的基本结构框图。通过主机接口2(Host I/F) 固态盘被连接到所服务的主机上。当主机需要存取数据时，主机中的应用程序将数据地址，数据长度及操作命令送到固态盘控制器1中。固态盘控制器 1中的控制电路和固件程序将主机命令解析成适合执行的格式并可以选择将其通过缓存接口3(通常是DDR接口)存入缓存器6。主机数据也可以存入缓存器6。当闪存颗粒接口4(NAND I/F)可以接受新操作时，固态盘控制器中的控制电路和固件程序将从缓存器6调出一条待执行命令送到闪存颗粒接口4。
图4所示为双端口固态盘的结构框图。与图3所示的单端口固态盘不同的是所采用的固态盘控制器为双端口固态盘控制器8。其工作原理与单端口的情况类似，只是控制电路和固件程序必须处理两个主机接口2a及2b上收到的指令，并通过指定的主机接口完成数据传输。
较之消费级市场容量，服务器级的固态盘的市场容量要小得多，尽管单盘售价、利润都很高，但对靠主控器盈利的厂商，这样的市场容量只能提供非常有限的研发动力。
本发明所公开的实现方案提供了另一种实现多端口固态盘的途径。其关键是借助一颗特别设计的、相对低成本的辅助控制器5，利用单端口固态盘控制器的缓存接口3，将两个以上的单端口固态盘控制器组合成一个多端口固态盘。
上述辅助控制器5，可以用FPGA来实现，也可以用ASIC来实现。由于所需处理的是较为成熟的DDR接口，功能确定，开发难度、电路规模也相对小，采用较低成本的半导体制程(如40nm)来实现该辅助控制器的ASIC便可满足要求。该方案带来的好处是无需开发耗资昂贵的多通道固态盘控制器，利用单通道控制器便可实现多通道固态盘。对产业链下游的固态盘开发商来说，多通道固态盘对成本相对不敏感，辅助控制器引入的附加成本对整体方案性价比的影响不大。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现多通道固态硬盘的技术方案，其特征在于，包括：至少两个单通道固态硬盘控制器1，至少一个多通道缓存辅助控制器5，至少一组缓存器件6，至少一组NAND Flash芯片7。
所述单通道固态盘控制器包括：一个上游接口2，一个缓存接口3及一个NAND Flash接口4。
所述多通道缓存辅助控制器包括：至少两个上游接口9，至少一个下游缓存接口10。
所述多个单通道固态盘控制器上所包括的缓存接口3分别与所述多通道缓存辅助控制器5所包括的多个上游接口中的一个上游接口9形成电连接。
所述多通道缓存辅助控制器所包括的下游缓存接口10与至少一组缓存器件6形成电联接。
2.根据权利要求1所述的技术方案，其特征在于，所述缓存器件6采用传统半导体随即存储器，如SRAM或DRAM等。
3.根据权利要求1所述的技术方案，其特征在于，所述缓存器件6采用新型非挥发随机存储器，如相变存储器(PRAM)，磁阻存储器(MRAM)，可变电阻存储器(ReRAM)，铁磁存储器(FeRAM)等。
4.根据权利要求1所述的技术方案，其特征在于，所述单通道固态盘控制器1的上游接口2实现PCI Express协议。
5.根据权利要求1所述的技术方案，其特征在于，所述单通道固态盘控制器1的上游接口2实现Serial ATA协议。
6.根据权利要求1所述的技术方案，其特征在于，所述单通道固态盘控制器1的上游接口2实现USB协议。
7.根据权利要求1所述的技术方案，其特征在于，所述缓存辅助控制器5由FPGA实现。
8.根据权利要求1所述的技术方案，其特征在于，所述缓存辅助控制器5由专用ASIC芯片实现。
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