CN1124376A - 改进的数据存储设备及操作方法 - Google Patents

Abstract

公开了用在驱动器阵列中的一种改进的存储设备。在指示目标驱动器去生成部分新奇偶校验并且也可确定奇偶校验驱动器的一种新的命令下，将待写入的数据从主计算机送至目标盘驱动器。该目标设备从其媒体上读取老数据，生成一个奇偶校验校正子，存储新数据，然后启动与所确定的奇偶校验驱动器之间的通信，指令该奇偶校验驱动器去读取老奇偶校验并从奇偶校验校正子与老奇偶校验中生成新的奇偶校验信息。

Description

改进的数据存储设备及操作方法

本发明涉及数字存储器系统，其中的存储器是由一个存储设备的阵列提供的。

磁盘或其它直接存取存储设备(DASD)阵列的使用是已知的，并且与单片的磁盘驱动器所达到的性能相比已经以较低的成本提供了更大的存储容量及更高的可靠性。

美国专利4,870,643公开了用小型计算机存储器接口(SCSI)安装在机架式框架中的标准51/4英寸磁盘驱动器的阵列。将数据字分成n段，并且并行地将各段传送到n个不同的驱动器之一中，这便提高了字传输速率。

至少有一个盘驱动器存储用于再生出可能出现故障的任何一个盘驱动器上的数据的奇偶校验信息。当一个驱动器出现故障时，操作员从框架上拔掉故障驱动器，并代之以一个工作的驱动器，然后再生的数据被写入该替换驱动器中。驱动器是用来自主控制器的一个信号进行同步操作的，而不是与一个盘同步的。

美国专利4,989,206公开了一种美国专利4,878,643中所描述的类型的阵列，阵列中包括了比存储数据与奇偶校验所需数目更多的驱动器。当一个驱动器故障时，该系统用通过一个交叉点开关重新连接驱动器的方法以一个工作的驱动器来取代故障的驱动器。

系统中包含具有一个处理器与高速缓冲存储器的控制模块。各控制模块将其从计算机接收的数据字分成写入n个驱动器上的n个段，并生成写入奇偶校验驱动器上的奇偶校验段。IBM TechnicalDisclosure Bulletin，卷32，第7号(1989年12月)第5页公开了与IBM系统38及IBM系统370一起使用的DASD阵列系统的一种改进。

在这些系统中，n个驱动器中的对应DASD块的校验和是在CPU中计算的。在这一公开中，为了减少制备校验和记录所需的CPU时间，校验和是在I/O子系统通道及高速缓存中计算的。并且，在这一公开中，数据不是分散在n个驱动器中的，而是写在驱动器之一上的。校验和仍然跨所有n个驱动器计算以提供对所有驱动器的错误修复。每次将一块数据写入驱动器之一时，校验和并不从所有驱动器中的数据中计算。

相反，校验和是通过“异或”驱动器中待写入的老数据块以清除其影响，再“异或”新数据以得出新的校验和而被更新的。当CPU在进行这些“异或”运算时，它通常通过其高速缓冲存储器来工作，从而以只使用一次的长操作数来填充高速缓存。I/O子系统的计算是直接在存储器上进行的，因此能节省高速缓存并减少CPU时间。

IBM Technical Disclosure Bulletin，卷32，第6B号(1989年11月)第48页公开了将校验和信息分布在各盘驱动器上而不是将其存储在驱动器之一上。这具有改进可靠性的效果，这是因为每当在任何驱动器上写入任何一块数据时，必须改写校验和。如果设置一个独立的校验和驱动器，当写入其它任何一台驱动器时，校验和驱动器便要工作，因此有可能积压待写入的新奇偶校验块，并且它还将较其它驱动器磨损得快。

上述先有技术改进了低成本盘阵列的可靠性，但也带来了某些问题。如1989年12月份的IBM technial Disclosure Bulletin中所指出的，采用I/O子系统可认为是I/O瓶颈的一个潜在的来源。

这一问题被Linolakes Minnesota公司的廉价盘的冗余阵列(RAID)咨询研究会进一步认识。他们出版了“RAIDBook”，在这里引用它作为RAID技术的信息源。其中，他们描述了RAID级5作为对RAID级4中可能出现的写奇偶校验瓶颈的一种部分解决方案。RAID级4与上述1989年12月份的IBM出版物的说明相似，而RAID级5则类似1989年11月份的IBM出版物。

当阵列是用SCSI总线直接连接在主计算机上并且该阵列是由在主计算机中运行的阵列管理软件控制时，这一问题是严重的。设置一个I/O控制器作为已知的另一种选择是更昂贵的，并且如在上面的先有技术中所述，它本身又可能成为一个瓶颈。主机必须将写命令发送到所有的盘(如在RAID级2与3中)，或者为了为新数据生成新的奇偶校验然后写入新数据与新的奇偶校验而必须读取老数据与老的奇偶校验(如在RAID级4与5中)，这些事实加重了瓶颈。

在阵列中的各存储设备中设置逻辑与计算装置的本发明基本上解决了这些及其它问题。按照本发明，待写入的数据是在一条指示目标驱动器去生成部分新奇偶校验并且也可标识奇偶校验驱动器的新的命令下，从主计算机送至目标驱动器的。或者，奇偶校验驱动器可以在数据块的基础上永久性地指定，如RAIDBook中对RAID级5所描述的。

目标设备从其媒体上读取老数据，生成一个奇偶校验校正子(parity syndrome)，存储新数据并启动与指定的奇偶校验驱动器之间的通信，指示奇偶校验驱动器去读取老奇偶校验并且从奇偶校验校正子与老奇偶校验生成新的奇偶校验信息。奇偶校验驱动器在生成新的奇偶校验之后便写入奇偶校验信息，完全不需要主机或主机I/O的进一步操作。

本发明的一个优点是在取消一个独立的阵列控制器及其电源与包装费用的同时解脱了主机承担奇偶校验生成与附加的I/O操作。另一个优点是本发明至少能够部分地用各盘驱动器中现成的盘设备处理器中所执行的微代码来实现。

在另一种方式中，在各盘驱动器中加入最少量的“异或”逻辑具有速度上的优点，而不会在盘驱动器的现有电源上增加明显的负担。

图1为RAID级5下的先有技术的数据路径的方框图。

图2为按照本发明的数据存储设备的方框图。

图3为本发明的数据路径的方框图。

图4示出一条SCSI写命令的格式。

图5为按照本发明的奇偶校验发生装置的一种实现的方框图。

图6为选择一个奇偶校验设备的可能函数图。

图1示出将数据写入先有技术RAID级5的一个阵列盘存储器系统的典型数据路径。当主计算机11中的一个应用程序10提出一个写请求时，与所有被修改的数据块相对应的奇偶校验块都将改变。

首先，阵列管理软件20将应用程序的虚拟盘地址转换成一个阵列成员盘号0及在该成员盘上的一个块地址。然后，阵列管理软件20将要修改的成员盘块的内容30读入主机中的内部缓冲器中。阵列管理软件还单独将对应的奇偶校验块的内容40从与所选择的数据块单元相对应的奇偶校验驱动器4读入内部缓冲器中。然后，阵列管理软件20通过计算老数据30与老奇偶校验40的“异或”50而清除目标块中的老数据30的影响。然后，将中间结果50与新数据60进行“异或”而得出新的奇偶校验信息70。然后，阵列管理软件将新奇偶校验70从主机写入奇偶校验驱动器4，并将新数据60从主机11写入数据驱动器0。这些读与写操作中的每一个都加重I/O瓶颈，并且消耗主计算机的资源。

图2示出按照本发明修改的一个存储设备的方框图。主计算机11用一个SCSI总线适配器15连接到多个盘设备13-1至13-(n＋1)。如结合先有技术所描述的，通常n＋1个驱动器的一个阵列中存储n个驱动器的数据，而相关的另一个驱动器则存储奇偶校验。

当然，为了优化驱动器性能，如RAIDBook在级5下所描述的，各驱动器也可包含大多数数据与一些奇偶校验。

主计算机11可以是一台大型主计算机，或者是任何构成或体系结构的一台较小的计算机，包括个人计算机在内。各存储设备13有一个对应的SCSI适配器17，它是既能在接收机模式中也能在启动器模式中工作的那种类型。SCSI系统结构之所以具有启动器模式是为了达到使一个DASD设备能够执行后备操作而无需经由主机传送存档数据的目的。

各存储设备还具有一个编程控制媒体硬件及执行所需要的内部数据传输的处理器19。最常用的处理器19为一个微处理器。还设置了一个存储器21来存储在处理器19中运行的程序及缓冲存储数据。下面将结合图3更详细地描述数据缓存功能。处理器通过直接连接的查找控制逻辑与驱动器23来控制媒体硬件。

驱动器23又连接到在本实施例中将磁性读/写头在媒体27上方移动的传动装置25上。写入与读自媒体的数据流经读/写通道29，该读/写通道29通过放大器(未示出)连接到读/写头。

处理器19由一条标准微处理器总线连接到SCSI适配器17、存储器21及读/写通道，在本较佳实施例中该总线为一条Intel微处理器8096所采用的16位宽数据与地址类型总线。

除了上述装置以外，为了生成一个奇偶校验校正子及一个新的奇偶校验，设置了“异或”逻辑31，这一点将在稍后结合图3与新的命令“写保护”与“写奇偶校验”分别加以描述。在本较佳实施例中，“异或”逻辑31是由硬件电路实现的，该“异或”逻辑31通过总线33连接到处理器19与存储器21上，如图3中所描绘的。应该认识到，“异或”逻辑31可以全部或部分地实现在处理器19所执行的一个程序中。

然而，由于微处理器通常不是一种非常快速的处理器并且需要进行“异或”运算的数据块相对地长而需要大量的处理时间，因此编程的实现方法有可能对存储设备的操作有不利影响。

稍后将参照图5详细描述“异或”逻辑31的电路。为“写保护”与“写奇偶校验”命令选择的命令格式与参数取决于存储器系统中所采用的系统结构的特定实现。

在本实施例中，奇偶校验是根据物理块地址跨设备建立的，从而“写保护”与“写奇偶校验”命令各具有相同的逻辑块地址与传递长度。奇偶校验映射选择为物理块地址的一个函数并且最好是一个定义的函数，诸如图6中所示的。接受一条“写保护”命令的目标存储设备用该函数来确定其它哪个设备应当接受“写奇偶校验”命令。

熟悉本技术的人员应能认识到在“写保护”命令中确定奇偶校验设备也是一种可实行的实施例；例如，使用图4中所示的命令格式的字节6。

如稍后将参照图4描述的，除了将操作码字节的“销售商专用”位7与6分别改成二进制的“1”而不是象在一条“SCSI写”命令中那样将它们保留为“0”以外，“写保护”及“写奇偶校验”命令与“SCSI写”10命令具有相同的10字节格式。

参见图3，下面结合其操作对使用SCSI系统结构的本发明的一个较佳实施例的数据路径加以描述。首先，在主计算机11中运行的阵列管理软件将从应用程序接收的虚拟盘地址转换成一个阵列成员盘号及在该成员盘上的一个块地址。然后，阵列管理软件将“写保护”命令111与新数据113送至n＋1台设备的阵列中的选中的或者说目标驱动器13-i。“写保护”命令的操作终止主计算机除了接收来自目标驱动器的“命令完成”以外的一切对该阵列的介入。

在目标驱动器13-i中，控制处理器19-i中的X程序执行“写保护”命令，使新数据写入存储器21-i中117处的数据缓冲器中。对“写保护”命令作出响应，X程序从媒体27-i的受影响的区域中将老数据119读入123处的缓冲器中。然后，X程序将123中的老数据119与117的新数据113输入“异或”31-i，在那里通过“异或”113与119建立一个奇偶校验校正子127。将奇偶校验校正子暂存在缓冲器129中。

然后，将新数据写入媒体27-i的受影响的区域中。然后，X程序令SCSI适配器17-i进入启动模式，而驱动器13-i则以从主机11的“写保护”命令中接收的相同逻辑块地址与计数发布一条“写奇偶校验”命令131至指定的奇偶校验驱动器13-p。它还将奇偶校验校正子信息127送至该奇偶校验驱动器13-p。

对“写奇偶校验”命令131作出响应，存储设备13-p中的Y程序将媒体27-p的受影响区中的老奇偶校验219读入223处的缓冲器中。然后，Y程序将223中的老奇偶校验219及217中的奇偶校验校正子127输入“异或”31-p中，在那里通过127与219的“异或”建立新的奇偶校验信息227。将奇偶校验227暂存在缓冲器229中。

然后，将新奇偶校验227写入媒体27-p的受影响区中来代替老的奇偶校验219。由于这一新奇偶校验中包含来自老奇偶校验的信息，因此它能在别的一个驱动器出现故障时，用于以通常的方法再生其它驱动器上对应的块中的其它数据。

可以从图3中看出，只有两条SCSI命令与两次信息传递是通过SCSI总线的。所有其它操作都是在受影响的存储设备驱动器内部执行的。图4示出标准“写”10命令的SCSI命令格式。0至9十个字节分别绘出在十行中，而各字节的8位则绘出在列7至0中，其中列7为最高位。

字节0为操作码，对于“写”10命令，它是一个十六进制2A或二进制00101010。字节1包含逻辑单元地址以及其它与本发明无关的控制字段。字节2至5为32位逻辑块地址。字节6是保留的，而字节7与8则为传递长度。字节9为与本发明无关的附加控制字段。

除了将操作码字节的“销售商专用”位7与6分别改成二进制“1”而不是象在一条SCSI“写”10命令中那样将它们保留为0外，“写保护”与“写奇偶校验”命令具有与SCSI“写”10命令相同的十字节格式。这分别给予“写保护”命令一个十六进制的AA或10101010的操作码，及“写奇偶校验”命令一个十六进制6A或01101010的操作码。

图5为更详细地展示“异或”逻辑31的一个实施例的方框图。逻辑31的核心为作为一个并行阵列连接在三个寄存器之间的多个“异或”电路311。“异或”电路的数目最好选择为与图2中所示的总线33的数据路径的宽度相等。

同样，寄存器313、315和317与总线33的宽度相等。与各寄存器相关联的分别有一个地址寄存器323、325与327。各地址寄存器中存储存储器21中存有操作数或将要存入结果的缓冲器的起始地址。例如，寄存器323指向包含新数据的缓冲器117的起始地址，如图3中所示。同样，寄存器325存储包含老数据的缓冲器123的起始地址，而寄存器327中则存储将要存入奇偶校验校正子的地址。

逻辑31包含一个连接到一个计数器333上的控制块331。它们在直接存储器存取(DMA)模式中共同控制“异或”逻辑31的操作。在微处理器19中操作的X与Y程序的一个子程序通过命令控制块331将一个随后的长度计数加载进指示待写入的新数据的字节数的寄存器333中而初始化DMA操作。此后，在块331的控制下，将起始地址加载进寄存器323、325与327中。

当微处理器19将一条起动命令送至控制块331时，后者便从指定的地址开始加载寄存器313与315，对它们进行“异或”，并将来自寄存器317的结果存储回存储器19中由寄存器327指向的地址上。然后，控制块331步进计数器333及地址寄存器323、325与327的内容，并重复这一循环直到计数器333中的计数减少到零为止。此时，例如老数据与新数据已经在驱动器13-i中完全进行了“异或”，并且完成了生成奇偶校验校正子的运算。

在奇偶校验驱动器13-p中将执行相同的序列来从奇偶校验校正子与老奇偶校验中生成新的奇偶校验。

图6为按照RAID级5的跨成员存储设备的数据分布的一个示例性映射的图。一块虚拟盘411具有块0至11等。它通过阵列管理软件413连接在一个物理存储设备0至4的阵列上。设备415(标示为盘0)存储块0、4、8与12。设备417(标示为盘1)存储块1、5、9及块12、13、14与15的奇偶校验。设备419(标示为盘2)存储块2、6、13及块8、9、10与11的奇偶校验。设备421(标示为盘3)存储块3、10、14及块4、5、6与7的奇偶校验。设备423(标示为盘4)存储块7、11、15及块0、1、2与3的奇偶校验。

已经利用其一个较佳实施例描述了本发明，熟悉计算机外围设备设计技术的人员应能理解可对上述实现的结构与编程作出各种改变而不脱离用下述权利要求书所画定的本发明的精神与范围。

Claims (14)

1.一种结合计算机使用的存储设备，其特征在于包括：

一个接口，用于将所述存储设备连接到一台计算机及至少另一个存储设备上；

连接至所述接口上的控制装置，用于接收一条命令；

连接在所述控制装置上并由所述控制装置响应所述命令来控制，用以存储数据及存储纠错信息的存储媒体；以及

连接在所述控制装置上的计算装置，它用于从所述接口接收的信息及从所述存储媒体接收的信息中计算出一个结果，所述结果用作所述纠错信息。

2.权利要求1的存储设备，其特征在于所述存储媒体包括盘媒体。

3.权利要求1的存储设备，其特征在于所述控制装置包括一个微处理器。

4.权利要求1的存储设备，其特征在于所述接口包括一个SCSI接口。

5.权利要求1的存储设备，其特征在于所述计算装置包括：

“异或”电路。

6.权利要求1的存储设备，其特征在于所述命令是令控制装置将从所述接口接收的所述信息存储在所述媒体上的一条“写保护”命令。

7.权利要求4的存储设备，其特征在于所述“写保护”命令是遵守SCSI命令的要求的。

8.权利要求7的存储设备，其特征在于所述“写保护”命令具有操作码位模式10101010。

9.权利要求1的存储设备，其特征在于所述命令是令所述控制装置将所述纠错信息存储在所述媒体上的一条“写奇偶校验”命令。

10.权利要求9的存储设备，其特征在于所述“写奇偶校验”命令遵守SCSI命令的要求。

11.权利要求10的存储设备，其特征在于所述“写奇偶校验”命令具有操作码位模式01101010。

12.权利要求1的存储设备，其特征在于从所述接口接收的所述信息是待写在所述媒体上的新数据，以及所述结果是从其中消除了老数据的影响并在其中加上了所述新数据的影响的纠错信息。

13.权利要求1的存储设备，其特征在于从所述接口接收的所述信息是从其中消除了老数据的影响并在其中加上了所述新数据的影响的所述纠错信息，所述控制装置控制所述计算装置从所述接口接收的所述纠错信息与存储在所述媒体上的老纠错信息计算出一个结果，以计算从其中消除了所述老数据的影响并在其中加上了所述新数据的影响及存储在另一个存储设备上的其它数据的影响的新的纠错信息，以便提供所述新的纠错信息，该信息可用于纠正将来可能存在于所述新数据中的错误或者纠正可能存在于所述其它数据中的错误。

14.在一个存储设备阵列上存储数据的方法，其特征在于包括下述步骤：

将第一条命令及新数据送至一个第一个存储设备；

从所述第一个存储设备中的第一个媒体上读取老数据；

计算所述新数据与所述老数据的“异或”以建立包含有关消除所述老数据的影响的信息，并且还包含有关所述新数据的影响的信息的第一个纠错信息；

将所述新数据存储在所述第一个媒体上；

将第二条命令与所述第一个纠错信息从所述第一个存储设备送至第二个存储设备；

从所述第二个存储设备中的第二个媒体上读取老纠错信息；

计算所述第一个纠错信息与所述老纠错信息的“异或”以建立新的纠错信息，该新纠错信息中包含有关消除所述老数据的影响的信息，还包含有关所述新数据的影响的信息以及存储在其它存储设备上的其它数据的影响；

将所述新纠错信息存储在所述第二个媒体上。

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