CN113590035A - 一种非标准sata接口的驱动方法和系统 - Google Patents

一种非标准sata接口的驱动方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非标准SATA接口的驱动方法和系统，通过获取io并将io缓存至内存中，如果没有触发下发io的条件，就一直获取新的io并将这些io缓存至内存中，如果触发了下发io的条件，则将内存中的全部io合并为一个请求后，通过非标准控制器发送到硬盘中，此方法能够提高单次读写硬盘时携带的io数，提升了SATA数据的传输吞吐量，从而提高非标准SATA控制器读写硬盘的速率。

Description

一种非标准SATA接口的驱动方法和系统
技术领域
本发明涉及数据存储技术领域，特别涉及一种非标准SATA接口的驱动方法和系统。
背景技术
SATA(Serial Advanced Technology Attachment)是串行高级技术附件，一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口，标准的SATA控制器逻辑内部提供了完整命令集和NCQ队列功能。
现有缺少NCQ命令排序和命令队列的非标准SATA控制器在读写SATA硬盘时，速度很慢，远远达不到标准SATA控制器读写硬盘速度的水平。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提出一种非标准SATA接口的驱动方法和系统，能够提高非标准SATA控制器读写硬盘的速率。
本发明的第一方面，提供一种非标准SATA接口的驱动方法，包括以下步骤：
获取io，并将所述io存储于内存中；
若触发下发io的条件，则将所述内存中的所有所述io合并为一个请求后，通过非标准SATA控制器发送至SATA硬盘，以使所述SATA硬盘根据所述io执行对应操作。
根据本发明的实施例，至少具有如下技术效果：
获取io并将io缓存至内存中，如果没有触发下发io的条件，就一直获取新的io并将这些io缓存至内存中，如果触发了下发io的条件，则将内存中的全部io合并为一个请求后，通过非标准SATA控制器发送到硬盘中，此方法能够提高单次读写硬盘时携带的io数，提升了SATA数据的传输吞吐量，从而提高非标准SATA控制器读写硬盘的速率。
根据本发明的一些实施例，所述获取io，包括以下步骤：获取来自操作系统的bio；将所述bio划分为读方向io或写方向io。
根据本发明的一些实施例，所述将所述io存储于内存中包括：按照获取所述io的先后顺序依次将所述io存储于内存中。
根据本发明的一些实施例，所述下发io的条件为bio扇区非连续。
根据本发明的一些实施例，所述非标准SATA接口的驱动方法，还包括步骤：进行超时检测，若所述内存中存储的第一个所述io的存储时间超出阈值，则将所述内存中的所有所述io发送至SATA硬盘。
根据本发明的一些实施例，所述SATA硬盘为SATA固态硬盘。
本发明的第二方面，提供一种非标准SATA接口的驱动系统，包括：数据存储管理模块、数据存储控制模块以及SATA硬盘；所述数据存储管理模块用于将所述io存储于内存中，若触发下发io的条件，则将所述内存中的所有所述io合并为一个请求后发送至数据存储控制模块；所述数据存储控制模块，与所述数据存储管理模块通信连接，用于将所述请求发送至SATA硬盘；所述SATA硬盘，与所述数据存储控制模块通信连接，用于根据所述请求执行对应操作。
根据本发明的实施例，至少具有如下技术效果：
如果没有触发下发io的条件，数据存储管理模块就一直获取io并将这些io缓存至内存中，如果触发了下发io的条件，则将内存中的全部io合并为一个请求后发送通过数据存储控制模块发送至硬盘中，此系统能够提高单次读写硬盘时携带的io数，提升了SATA数据的传输吞吐量，从而提高读写硬盘的速率。
根据本发明的一些实施例，所述下发io的条件为bio扇区非连续。
根据本发明的一些实施例，所述下发io的条件为所述下发io的时间间隔超过预设阈值。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例提供的一种非标准SATA接口的驱动方法的步骤图；
图2是本发明实施例提供的一种非标准SATA接口的驱动系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的写入方向的分类排序算法；
图4是本发明实施例提供的读取方向的分类排序算法；
图5是本发明实施例提供的基于FPGA模块实现的非标准SATA控制器；
图6是本发明实施例提供的数据存储管理模块；
图7是本发明实施例提供的数据读写逻辑模块；
图8是本发明实施例提供的fio写入；
图9是本发明实施例提供的fio读取；
图10是本发明实施例提供的文件复制；
图11是本发明实施例提供的测试程序。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整地描述,显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本发明。
SATA(Serial Advanced Technology Attachment)是串行高级技术附件，一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口，标准的SATA控制器逻辑内部提供了完整命令集和NCQ队列功能。标准SATA 2.0接口性能，理论速度能达到375MB/s。
在计算机系统中，中央处理器，内存和硬盘是最重要的三个硬件，中央处理器从硬盘中读取数据，交给内存，然后中央处理器再在内存中取数据进行处理，它们的存储读取速度是递增的。而硬件驱动器接口，就是连通内存和硬盘的一种接口。
所以想要提升计算机系统的运算性能，提升内存和硬件之间的数据传输速率是非常必要的，而想要提升内存和硬件之间的传输速率，可以从它们之间的接口入手，SATA就是这么一种接口。
由于兼容、设备硬件等方面的考虑，SATA控制器并不总是包含SATA协议中所有的命令集和功能，这些SATA控制器称为非标准SATA控制器，由于缺少某些命令集或功能，导致这些非标准SATA控制器在读写硬盘时，速度非常慢，拖累了计算机系统的运算性能。
为解决上述问题，本发明以一种由FPGA实现的非标准SATA控制器为例，此种SATA控制器逻辑内部只提供了ATA标准命令中的READ_DMA_EXT(0x25)、WRITE_DMA_EXT(0x35)、IDENTIFY_DEVICE(0xEC)，无NCQ命令排序，无命令队列。
参照图1，本发明的第一方面，提供一种非标准SATA接口的驱动方法，包括以下步骤：
S110：获取io，并将io存储于内存中；
S120：若触发下发io的条件，则将内存中的所有io合并为一个请求后，通过非标准控制器发送至SATA硬盘，以使SATA硬盘根据io执行对应操作。
由计算机系统的原理可知，如果每次操作系统产生一个io，就把该io传输至硬盘里，那么内存和硬盘之间就会频繁的进行数据交换，而内存和硬盘之间的读写速度本身就比中央处理器和内存之间的读取速率慢很多，最终硬盘的读写速度会拖累中央处理器的运算速度。如果先将io缓存至内存中，将多个io合并成一个请求，那么内存和硬盘之间单次进行数据交换的数据将会变多，提升了SATA数据的传输吞吐量。
由于兼容、设备硬件等方面的考虑，SATA控制器并不总是包含SATA协议中所有的命令集和功能，这些SATA控制器称为非标准SATA控制器，由于缺少某些命令集或功能，导致这些非标准SATA控制器在读写硬盘时，速度非常慢，拖累了计算机系统的运算性能。本发明实施例提供一种非标准SATA接口的驱动方法，获取io并将io缓存至内存中，如果没有触发下发io的条件，就一直获取新的io并将这些io缓存至内存中，如果触发了下发io的条件，则将内存中的全部io合并为一个请求后，通过非标准控制器发送到硬盘中，此方法能够提高单次读写硬盘时携带的io数，提升了SATA数据的传输吞吐量，从而提高非标准SATA控制器读写硬盘的速率。
在本发明的一些实施例中，上述获取io，包括以下步骤：获取来自操作系统的bio；将bio划分为读方向io或写方向io。bio为linux的通用块层，作为io子系统的中间层，它为上层输出接口，为下层提供数据。也就是说，bio代表了操作系统的一个io请求，由于一个请求中io类型有很多，先将bio分类成不同类型的io。分类好的io先暂存至内存中，而不是直接将io传输至硬盘里。将bio类型分为读方向io和写方向io，此种分类方法，更加切合硬盘的工作方式，提升读取硬盘数据和写入硬盘数据的速率更加明显。
在本发明的一些实施例中，将io存储于内存中包括：按照获取io的先后顺序依次将io存储于内存中。排序后的io更加有利于硬盘的读写操作，而按照获取io的先后顺序，是一种比较简单而低耗费内存运算的排序方法。
在本发明的一些实施例中，下发io的条件为bio扇区非连续。硬盘在读写连续扇区的数据时，速率会更快。如果接下来的bio扇区连续，则继续将这些io根据读、写方向缓冲至读缓冲或写缓冲中；如果接下来的bio扇区非连续，则将这些缓冲区中的所有io一次性通过非标准SATA控制器传输至硬盘，进行读取硬盘数据和写入硬盘数据。因此，“bio扇区非连续”即是一个触发下发io的条件。
在本发明的一些实施例中，非标准SATA接口的驱动方法，还包括步骤：进行超时检测，若内存中存储的第一个所述io的存储时间超出阈值，则将内存中的所有io发送至SATA硬盘。如果一直不能触发下发io的条件，那么内存就一直在缓存，这会增加cpu的负载，而且有时候也有程序丢失，触发下发io命令不响应的时候，为使得读、写硬盘响应时间合适和降低系统cpu负载，设置了一个独立任务用以进行超时检测，当未发生超时时，下发io的时机由上述“bio扇区非连续”条件触发，当有发生超时时，下发io的时机由此任务触发。
在本发明的一些实施例中，SATA硬盘为SATA固态硬盘。硬盘主要分为机械硬盘和固态硬盘，机械硬盘的性能影响因素主要为其转速，密度，磁头的质量；固态硬盘的内部分为主控和存储单元，还有个接口。存储单元就是用来存储数据的，主控是用来记录数据存储位置和进行数据操作的，接口是用来与计算机进行数据交换的，而决定固态的速度的主要是接口和控制器。固态硬盘的存储介质为闪存的缘故，所以在写入数据时并非是直接覆盖，而是要“先擦后写”，将之前的数据进行擦除后，再次写入新的数据。对于机械硬盘，由于操作系统自带“电梯算法”，电梯算法是一种磁盘调度算法，目的是为了减少磁头的移动距离，减少寻道时间，加快读盘速度。它的调度方式就像电梯一样，先从一个方向走到头，然后折回来，向另一个方向走。该算法作用于机械硬盘时，效果明显，如果再使用本发明的技术手段，提升效果就不是很明显了。当SATA硬盘为SATA固态硬盘时，本发明的效果更为显著。
参照图2，本发明的第二方面，提供一种非标准SATA接口的驱动系统，包括：数据存储管理模块210、数据存储控制模块220以及SATA硬盘230；数据存储管理模块210用于将io存储于内存中，若触发下发io的条件，则将内存中的所有io合并为一个请求后发送至数据存储控制模块220；数据存储控制模块220，与数据存储管理模块210通信连接，用于将请求发送至SATA硬盘230；SATA硬盘230，与数据存储控制模块220通信连接，用于根据请求执行对应操作。
如果没有触发下发io的条件，数据存储管理模块就一直获取io并将这些io缓存至内存中，如果触发了下发io的条件，则将内存中的全部io合并为一个请求后发送通过数据存储控制模块发送至硬盘中，此系统能够提高单次读写硬盘时携带的io数，提升了SATA数据的传输吞吐量，从而提高读写硬盘的速率。
在本发明的一些实施例中，下发io的条件为bio扇区非连续。
在本发明的一些实施例中，下发io的条件为所述下发io的时间间隔超过预设阈值。
以上述实施例为基础，本发明还提供一个实施例，如下所示：
本方法是一种基于Linux操作系统下实现驱动非标准SATA控制器读写固态硬盘的方法。当使用非标准SATA控制器时，通过本方法可以获得接近使用标准SATA控制器时读写硬盘的吞吐能力。同时本发明还公开了一种Linux操作系统下实现驱动非标准SATA设备的系统。
非标准SATA控制器，由FPGA实现，FPGA实现了12路非标准SATA控制器，外部连接SATA固态硬盘。此种SATA控制器逻辑内部只提供了ATA标准命令中的READ_DMA_EXT(0x25)、WRITE_DMA_EXT(0x35)、IDENTIFY_DEVICE(0xEC)，无NCQ命令排序，无命令队列。而标准SATA控制器则提供了完整的命令集和NCQ队列功能等。因此非标准SATA控制器需要获得接近标准SATA控制器的数据吞吐能力，需要驱动软件实现方法优化。
Linux层驱动软件为驱动非标准SATA控制器，并且为提升整个磁盘数据读写的吞吐能力，驱动软件根据操作系统层传递的I/O数据，参照图3和图4，按照分类排序的算法对这些IO数据进行缓冲，根据条件触发方式发生数据写盘和读盘。与传统的操作系统提供的“电梯算法”相比，此方法能够将更多的连续的I/O合并成1个更大request请求，从而提升SATA数据的传输吞吐量。
实现的系统架构如下：
系统是基于复旦微公司的FPGA+龙芯公司的CPU进行设计的通用数据存储设备。包含数据存储管理模块、数据存储控制模块、硬盘。存储管理模块与存储控制模块采用pcie总线连接通信。数据存储控制模块提供实现的非标准SATA控制器与硬盘连接。
参照图5，数据存储控制模块：FPGA模块提供实现非标准SATA控制器。
参照图6，数据存储管理模块：驱动非标准SATA控制器。
参照图7，数据读写逻辑模块：
用户界面读写数据：磁盘阵列计算机使用者，即用户，读写磁盘阵列数据。将数据传递给操作系统。
操作系统界面：操作系统按照标准接口提供接口方法给用户界面，用于用户操作数据读写。同时调用下层即驱动层的磁盘阵列驱动软件的接口，传递数据。
磁盘阵列驱动软件：用于向上给操作系统提供读写接口，向下控制磁盘控制模块。
磁盘控制模块：包含12路非标准sata控制器，提供sata基本的读、写命令和认盘命令。
本方法中实际测试如下，速度的测试在不同条件下测试结果，写入速度平均145MB/s，读取速度100MB/s。
fio测试工具：测试100G数据。
如图8所示，进行fio写入；
如图9所示，进行fio读取；
如图10所示，文件复制至硬盘：复制4.3GB数据；
如图11所示，测试程序disk_test：write是写入，read是读出。先写入1GB数据，计算速度；再读出1GB数据，计算速度。
结果为写入速度平均145MB/s，读取速度100MB/s。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种非标准SATA接口的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取io，并将所述io存储于内存中；
若触发下发io的条件，将所述内存中的所有所述io合并为一个请求后，通过非标准SATA控制器发送至SATA硬盘，以使所述SATA硬盘根据所述请求执行对应操作。
2.根据权利要求1所述的一种非标准SATA接口的驱动方法，其特征在于，所述获取io，包括以下步骤：
获取来自操作系统的bio；
将所述bio划分为读方向io或写方向io。
3.根据权利要求1所述的一种非标准SATA接口的驱动方法，其特征在于，所述将所述io存储于内存中包括：按照获取所述io的先后顺序依次将所述io存储于所述内存中。
4.根据权利要求1所述的一种非标准SATA接口的驱动方法，其特征在于：所述下发io的条件为bio扇区非连续。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种非标准SATA接口的驱动方法，其特征在于，还包括步骤：
进行超时检测，若所述内存中存储的第一个所述io的存储时间超出阈值，将所述内存中的所有所述io合并为一个请求后发送至SATA硬盘。
6.根据权利要求1所述的一种非标准SATA接口的驱动方法，其特征在于：所述SATA硬盘为SATA固态硬盘。
7.一种非标准SATA接口的驱动系统，其特征在于，包括：
数据存储管理模块，用于将io存储于内存中，若触发下发io的条件，则将所述内存中的所有所述io合并为一个请求后发送至数据存储控制模块；
数据存储控制模块，与所述数据存储管理模块通信连接，用于将所述请求发送至SATA硬盘；
SATA硬盘，与所述数据存储控制模块通信连接，用于根据所述请求执行对应操作。
8.根据权利要求7所述的一种非标准SATA接口的驱动系统，其特征在于：所述下发io的条件为bio扇区非连续。
9.根据权利要求8所述的一种非标准SATA接口的驱动系统，其特征在于：所述下发io的条件为所述下发io的时间间隔超过预设阈值。
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