CN109445686B - 一种存储磁盘以及存取数据的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种存储磁盘以及存取数据的方法，所述存储磁盘包括：接口单元用于与存储磁盘外部进行数据通讯；存储单元用于存储数据；磁盘控制单元用于将接口单元或者运算单元传来的数据存储于存储单元，和/或从存储单元中读取存储数据发送给接口单元或者运算单元；所述存储磁盘还包括运算单元，运算单元接收来自接口单元的指令，根据指令进行运算，并将运算结果发送给磁盘控制单元或者接口单元。本申请存储磁盘以及存取数据的方法，读写速度快，支持加密算法，存储容量大，单模块读写速度可超过6GB/s，单板可支持48TB以上存储容量。

Description

一种存储磁盘以及存取数据的方法
技术领域
本发明涉及一种电子数据存储系统，尤其涉及一种能够大大提升企业数据处理能力存储磁盘、以及一种存取数据的方法。
背景技术
计算机之父冯·诺依曼提出了计算机五大部件：输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。处理器(CPU，中央处理单元)是计算机的运算核心，磁盘是存储资料数据的设备。
传统存储盘一直以来单纯的作为数据存储介质，数据计算则通过相关处理器进行处理，两者分工协作看似协调，但随着人工智能等涉及大数据领域的兴起，单纯依靠系统处理器做计算已经不能满足日益增长的数据计算需求，而且在一套系统中同时挂载存储介质和计算介质不仅增加资金成本，也占用了过多的硬件结构空间，而且管理上过于分化。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供了一种存储磁盘、以及一种存取数据的方法。
本申请第一个方面是提供一种存储磁盘，包括：
接口单元，用于与存储磁盘外部进行数据通讯；
存储单元，用于存储数据；
磁盘控制单元，用于将接口单元或者运算单元传来的数据存储于存储单元，和/或从存储单元中共读取存储数据发送给接口单元或者运算单元；
所述存储磁盘还包括运算单元，运算单元接收来自接口单元的指令，根据指令进行运算，并将运算结果发送给磁盘控制单元或接口单元。
在本申请的一种优选实施例中，所述接口单元向磁盘控制单元发送指令。
在本申请的一种优选实施例中，所述存储磁盘优选为SSD固态硬盘。
在本申请的一种优选实施例中，所述接口单元优选为包括PCIe IP硬核。
更优选地，所述接口单元包括通讯接口，所述通讯接口可以是与互联网数据连接的接口、与计算机CPU数据连接的接口。
在本申请的一种优选实施例中，所述存储单元包括FLASH芯片，优选为NAND FLASH存储器，所述磁盘控制单元与所述FLASH芯片、优选为NAND FLASH存储器进行数据通讯。
在本申请的一种优选实施例中，所述存储磁盘还包括DRAM芯片，优选为SDRAM存储器，更优选为DDR4 SDRAM存储器；所述磁盘控制单元与所述DRAM芯片、优选为SDRAM存储器、更优选为DDR4 SDRAM存储器进行数据通讯。更优选地，所述DRAM芯片与接口单元之间进行数据通讯。
更优选地，所述DDR4 DRAM存储器与接口单元、运算单元、磁盘控制单元进行数据通讯。
在本申请的一种更优选实施例中，所述DRAM芯片接收来自接口单元的数据，更优选地，磁盘控制单元从DRAM芯片中读取数据并将读取的数据发送给FLASH芯片。
在本申请的一种更优选实施例中，所述磁盘控制单元从FLASH芯片读取数据，并将读取的数据发送给DRAM芯片。
在本申请的一种更优选实施例中，所述存储磁盘还包括PR(PartialReconfiguration，部分重配置)模块，用于更新运算单元中的算法程序。优选地，所述PR模块可以是一种可重利用的、具有某种确定功能的IC模块，如IP核。
在一种更优选实施例中，运算单元读取所述DRAM芯片的数据，并在进行运算之后发送回DRAM芯片。
本申请第二个方面是提供一种存储数据的方法，包括：
接口单元将接收的数据发送给DRAM芯片，同时发送运算指令给运算单元，运算单元接收到运算指令后，读取DRAM芯片中的数据进行运算；
运算单元将运算后的数据发送给DRAM芯片，磁盘控制单元从DRAM芯片中读取数据并将数据发送给FLASH芯片进行存储。
优选地，运算单元将运算后的数据发送给DRAM芯片后，接口单元接收外部发送给磁盘控制单元的指令，磁盘控制单元从DRAM芯片内部取运算后的数据，存储到FLASH芯片。
优选地，Host通过接口单元发送数据给DRAM芯片，并发送运算指令给运算单元；运算单元读取DRAM芯片中的数据，进行运算之后，将数据发送给DRAM芯片，然后，磁盘控制单元读取DRAM芯片中的数据，并存储到FLASH芯片中。
但是，本申请存储数据的方法，也可以包括判断是否进行运算的情况，如果判断不需要进行运算，则接口单元发送给磁盘控制单元存储到FLASH芯片；更优选地，接口单元收到外部指令，激活磁盘控制单元对应的FLASH芯片通道寄存器，磁盘控制单元启动DMA读操作通过接口单元从磁盘外部读取FLASH控制指令，并解析命令为写操作，提取源地址和目标地址，再次启动DMA读操作通过接口单元从磁盘外部的源地址读取数据，接口单元将返回的数据发送给磁盘控制单元，磁盘控制单元为数据生成ECC校验码并插入数据内部，写入FLASH芯片。
优选的，如果判断为需要进行运算，则按照本发明第二个方面所述的方法，运算单元接收到运算指令后，读取DRAM芯片中的数据进行运算。
本申请第三个方面是提供一种读取数据的方法，包括：
接口单元发送指令给运算单元和磁盘控制单元，磁盘控制单元从FLASH芯片读取数据后发送给DRAM芯片，运算单元读取DRAM芯片中的数据进行运算；运算单元进行运算之后，将数据发送给DRAM芯片，接口单元将数据从DRAM芯片中读取。
在本申请的一种优选实施例中，所述读取数据的方法还包括：
接口单元收到外部指令，激活磁盘控制单元对应的FLASH芯片通道寄存器，磁盘控制单元启动DMA读操作，通过接口单元从磁盘外部读取FLASH控制指令，并解析命令为写操作，提取源地址和目标地址，
再次启动DMA读操作，通过接口单元从磁盘外部的源地址读取数据，接口单元将返回的数据发送给磁盘控制单元，磁盘控制单元为数据生成ECC校验码并插入数据内部，写入FLASH芯片。
在一种更优选实施例中，接口单元发送运算指令给运算单元，并将数据发送给DRAM芯片，或者将数据发送给磁盘控制单元，磁盘将数据发送给DRAM芯片；运算单元读取DRAM芯片中的数据，进行运算之后，将数据发送给DRAM芯片，然后，磁盘控制单元读取DRAM芯片中的数据，并存储到FLASH芯片中。
在一种优选实施例中，本申请读取数据的方法也可以包括判断是否进行运算的情况，如果判断不需要进行运算，则接口单元收到外部指令，激活磁盘控制单元对应的FLASH芯片通道寄存器，磁盘控制单元启动DMA读操作通过接口单元从磁盘外部读取FLASH控制指令，并解析命令为读操作，提取源地址和目标地址，磁盘控制单元将数据从FLASH芯片读出，读出的数据进行ECC校验和纠错；校验和纠错成功后，启动DMA写操作，将数据通过接口单元输出。
优选的，如果判断为需要进行运算，则按照本发明第三个方面所述的方法，运算单元读取DRAM芯片中的数据进行运算。
在本申请的一种优选实施例中，所述存储数据过程还包括：
数据写入FLASH芯片后，采集FLASH芯片的RB信号(RB信号为ready/busy状态信息，或：是否空闲的状态信息)，当状态为空闲(ready)时；读取Flash内部操作状态，根据状态值判断操作结果；
发送操作完成指令，接口单元不再接收数据。
在本申请的一种优选实施例中，所述判断操作结果时，如果写操作成功，则更新映射表和可用表；如果写操作不成功，则重复上述存储数据过程，或者写操作不成功次数达到预定值，则判断对应的存储区域存在故障。
在本申请的一种优选实施例中，所述读取数据过程包括：
接口单元收到外部指令，激活磁盘控制单元对应的FLASH芯片通道寄存器，磁盘控制单元启动DMA读操作，通过接口单元从磁盘外部读取FLASH控制指令，并解析命令为读操作，提取源地址和目标地址，
磁盘控制单元将数据从FLASH芯片读出，读出的数据进行ECC校验和纠错；校验和纠错成功后，启动DMA写操作，将数据通过接口单元输出。
在一种更优选实施例中，接口单元发送指令给运算单元，磁盘控制单元将读取的数据发送给DRAM芯片，运算单元读取DRAM芯片中的数据，并进行运算，运算后将数据发送回DRAM芯片；然后，外部通过接口单元读取DRAM芯片中的数据。
在本申请的一种优选实施例中，如果校验和纠错失败，则磁盘控制单元在上发接口单元的操作完成信息中标识。
在本申请上述内容中，所述运算可以是加密运算、解密运算、数据压缩、数据解压恢复等可行的运算方式中的一种或几种。
本申请提出一种存储磁盘以及存取数据的方法，依靠硬件逻辑做运算，将相应结果保存在存储介质中，能够处理存储TB级的大数据，大大提升企业数据处理能力。
本申请存储磁盘以及存取数据的方法，读写速度快，支持加密算法，存储容量大，单模块读写速度可超过6GB/s，单板可支持48TB以上存储容量。
附图说明
图1为本申请存储磁盘硬件设计拓扑示意图；
图2为本申请存储磁盘与外部通讯连接示意图；
图3为本申请存储数据方法流程示意图；
图4为本申请读取数据方法流程示意图。
具体实施方式
本申请提供了一种存储磁盘，参照图1和图2，存储磁盘优选为SSD磁盘，包括FPGA控制器1进行运算加速和闪存控制，FPGA控制器1包括接口单元6，用于对外接收数据，接收单位包括对外数据接口以及PCIe IP硬核，如图2所示，对外数据接口可以是连接网络接口子系统11，也可以是连接单机设备的CPU 14(可以是PPC、x86、申威、龙芯、飞腾等CPU)。连接网络接口子系统11可以连接到互联网或局域网，如IP网络12和/或Rapid IO网络13。
参照图1，FPGA控制器1上，接口单元6与磁盘控制器3之间可以进行数据通讯。接口单元6、磁盘控制器3均可以与至少一个DDR4 DRAM芯片2进行数据通讯。
在FPGA控制器1上，还设有运算单元5，DDR4 DRAM芯片2与运算单元5之间进行数据通讯。
接口单元6将指令直接发送给运算单元5，并可以通过PR IP核7更新运算单元5内的算法程序。接口单元6将指令直接发送给磁盘控制器3。PR是一种动态修改逻辑模块的技术，通过在不妨碍其它逻辑运行的同时下载部分比特位文件来实现，既：动态配置部分芯片时，芯片的其他部分可正常工作，且向芯片中下载部分配置bit文件时，芯片的DONE脚不被拉低。使用FPGA的这一特性，可实现对芯片的分时复用。IP核是一种己验证的、可重利用的、具有某种确定功能的IC模块。
磁盘控制器3与一个或多个NAND FLASH芯片4进行数据通讯。
参照图3，在一种实施例中，本申请存储磁盘进行存储数据的过程如下：外部Host构造命令，写doorbell寄存器，磁盘控制器3根据doorbell寄存器的指示准备DMA读操作，更新对应于NAND FLASH芯片4的通道的寄存器；启动DMA读操作，命令从host内存向磁盘控制器3的指定通道的缓存空间转移；
磁盘控制器将命令解析为写操作，解析数据和目标地址，通过一次或多次DMA操作，将数据从主机转移至磁盘控制器3的闪存空间；
磁盘控制器3为数据生成ECC校验码，磁盘控制器3将带有ECC校验码的数据写入相应通道的NAND FLASH芯片4；
采集RB信号，读取FLASH IO，判断操作结果，如果写操作成功，则更新映射表和可用表；如果写操作失败，则重复发起写操作，或者判断相关NAND FLASH芯片4内的存储区域出现故障。
如果存储过程中，需要对数据进行额外计算，如加密计算、压缩计算或其他处理，接口单元发送信号给运算单元，接口单元将数据发送给DDR4 DRAM芯片2，磁盘控制器2将数据发送给DDR4 DRAM芯片2。运算单元5读取DDR4DRAM芯片2中的数据，进行相关运算之后，将数据发回DDR4 DRAM芯片2，磁盘控制器3读取DDR4 DRAM芯片2中的数据后，进行存储。
参照图4，在一种实施例中，本申请存储磁盘进行读取数据的过程如下：构造命令，写doorbell寄存器，根据doorbell寄存器的指示读取命令；
准备DMA读操作，更新对应于NAND FLASH芯片4的通道的寄存器；
启动DMA读操作，数据从host内存向指定通道的DDR4 DRAM芯片2闪存空间转移；
磁盘控制器3将命令解析为读操作，解析源地址；磁盘控制器3对NAND FLASH芯片4内的数据进行读操作，放入内部缓存；
磁盘控制器3对缓存数据进行ECC校验和纠错
如果ECC校验和纠错成功，通过一种或多次操作，将数据从存储磁盘转移至主机内存；如果校验或纠错失败，则中断读取操作。
如果读取过程中，需要对数据进行额外计算，如加密计算、压缩计算或其他处理，接口单元发送信号给运算单元，磁盘控制器2读取存储设备中的数据，发送给DDR4 DRAM芯片2。运算单元5读取DDR4 DRAM芯片2中的数据，进行相关运算之后，将数据发回DDR4 DRAM芯片2，磁盘控制器3读取DDR4DRAM芯片2中的数据后，或者，接口单元6读取DDR4 DRAM芯片2的数据。
本申请存储磁盘以及数据存取方法，支持国密、普密等加密算法，单模块读写速度可超过6GB/s，单板可支持48TB以上存储容量。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种存储磁盘，其特征在于，所述存储磁盘为SSD固态硬盘，包括FPGA控制器进行运算加速和存储控制，所述FPGA控制器包括：
接口单元，用于与存储磁盘外部进行数据通讯；
存储单元，用于存储数据；
磁盘控制单元，用于将接口单元或者运算单元传来的数据存储于存储单元，和/或从存储单元中读取存储数据发送给接口单元或者运算单元；
所述存储磁盘还包括运算单元，运算单元接收来自接口单元的指令，根据指令进行运算，并将运算结果发送给磁盘控制单元或接口单元。
2.根据权利要求1所述的存储磁盘，其特征在于，所述存储单元包括FLASH芯片，所述磁盘控制单元与所述FLASH芯片进行数据通讯。
3.根据权利要求2所述的存储磁盘，其特征在于，所述存储单元包括NAND FLASH存储器。
4.根据权利要求1所述的存储磁盘，其特征在于，所述存储单元还包括DDR4 SDRAM存储器，所述磁盘控制单元与所述DDR4 SDRAM存储器进行数据通讯。
5.根据权利要求4所述的存储磁盘，其特征在于，所述DDR4 SDRAM存储器与接口单元、运算单元、磁盘控制单元进行数据通讯。
6.一种如权利要求1所述的存储磁盘的存储数据的方法，其特征在于，所述存储磁盘为SSD固态硬盘，包括FPGA控制器进行运算加速和存储控制，所述FPGA控制器包括接口单元、存储单元、磁盘控制单元及运算单元，其中，所述存储单元包括FLASH芯片和DRAM芯片；所述存储数据的方法包括：
接口单元将接收的数据发送给DRAM芯片，同时发送运算指令给运算单元，运算单元接收到运算指令后，读取DRAM芯片中的数据进行运算；
运算单元将运算后的数据发送给DRAM芯片，磁盘控制单元从DRAM芯片中读取数据并将数据发送给FLASH芯片进行存储。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述存储数据过程包括：
磁盘控制单元接收指令后，准备DMA读操作，并激活对应的FLASH芯片通道的寄存器；
启动DMA读操作，接口单元发送指令给运算单元，运算单元解析数据和目标地址，从而将命令解析为写操作，磁盘控制单元收到写操作的命令，为数据生成ECC校验码；将生成有ECC校验码的数据写入FLASH芯片，将数据向磁盘控制单元缓存空间搬移。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括判断是否进行运算的情况，如果判断不需要进行运算，则：
接口单元收到外部指令，激活磁盘控制单元对应的FLASH芯片通道寄存器，磁盘控制单元启动DMA读操作通过接口单元从磁盘外部读取FLASH控制指令，并解析命令为写操作，提取源地址和目标地址，再次启动DMA读操作通过接口单元从磁盘外部的源地址读取数据，接口单元将返回的数据发送给磁盘控制单元，磁盘控制单元为数据生成ECC校验码并插入数据内部，写入FLASH芯片。
9.一种如权利要求1所述的存储磁盘的读取数据的方法，其特征在于，所述存储磁盘为SSD固态硬盘，包括FPGA控制器进行运算加速和存储控制，所述FPGA控制器包括接口单元、存储单元、磁盘控制单元及运算单元，其中，所述存储单元包括FLASH芯片和DRAM芯片；所述读取数据的方法包括：
接口单元发送指令给运算单元和磁盘控制单元，磁盘控制单元从FLASH芯片读取数据后发送给DRAM芯片，运算单元读取DRAM芯片中的数据进行运算；
运算单元进行运算之后，将数据发送给DRAM芯片，接口单元将数据从DRAM芯片中读取。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
接口单元收到外部指令，激活磁盘控制单元对应的FLASH芯片通道寄存器，磁盘控制单元启动DMA读操作，通过接口单元从磁盘外部读取FLASH控制指令，并解析命令为写操作，提取源地址和目标地址，
再次启动DMA读操作，通过接口单元从磁盘外部的源地址读取数据，接口单元将返回的数据发送给磁盘控制单元，磁盘控制单元为数据生成ECC校验码并插入数据内部，写入FLASH芯片。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述读取数据的方法还包括判断是否进行运算的情况，如果判断不需要进行运算，则：
接口单元收到外部指令，激活磁盘控制单元对应的FLASH芯片通道寄存器，磁盘控制单元启动DMA读操作通过接口单元从磁盘外部读取FLASH控制指令，并解析命令为读操作，提取源地址和目标地址，磁盘控制单元将数据从FLASH芯片读出，读出的数据进行ECC校验和纠错；校验和纠错成功后，启动DMA写操作，将数据通过接口单元输出。
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