CN114415959B - 一种sata磁盘动态加速访问方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种SATA磁盘动态加速访问方法和装置，该方法包括：当bridge在直传模式下发送DMA Setup FIS时，记录DMA Setup FIS中的NCQ命令信息，NCQ命令信息包括数据长度指示符；向仲裁逻辑发出请求，申请分配存储单元，并等待仲裁逻辑的仲裁结果；当仲裁成功时，从直传模式切换到动态加速模式，等待接收Data FIS；接收并缓存Data FIS，并且当缓存的Data FIS数量达到预定义阈值时，发送缓存的Data FIS；当已发送的Data FIS长度达到数据长度指示符时，从动态加速模式切换到直传模式。本发明的方案通过对NCQ命令I/O传输实时监测和动态加速，兼顾了直传模式的高可靠性和动态加速模式的高性能，以最低的硬件开销提升了SATA磁盘访问性能。

Description

一种SATA磁盘动态加速访问方法和装置
技术领域
本发明属于磁盘访问技术领域，特别涉及一种SATA磁盘动态加速访问方法和装置。
背景技术
SATA(Serial ATA)作为一种高速串行总线，是业界广泛用于存储设备和主机之间的主要I/O接口。SAS(串行连接SCSI)设计考虑向下兼容SATA技术，通过STP协议(SATA通道协议)实现SAS控制器和SATA设备之间的互联和数据传输。SATA磁盘以其低廉的价格和海量的容量而获得市场的青睐。因而即使在SAS存储阵列中，SATA磁盘的存储依然是非常重要的使用场景。
SATA磁盘的接口时序目前最高只能支持6Gbps的传输速率，虽然已经远高于HDD盘的机械结构性能，但是仍然低于SAS主流的12Gbps。因此SAS HBA(Host Bus Adapter主机总线适配器)访问SATA磁盘时会被占用更长时间，从而带来性能下降。
为解决这一问题，目前通用的SAS HBA/Expander(磁盘扩展器)厂商所使用的方案是在系统中集成存储逻辑，并利用该存储逻辑缓存FIS(Frame Information Structure，SATA传输层数据结构)，使HBA完成FIS传输。具体地，HBA可以以最高速率申请建链并传输FIS，bridge将FIS缓存，依据磁盘的协商速率向磁盘转发；而磁盘依据协商速率向bridge发送FIS，bridge将FIS缓存；磁盘以最高速率申请建链并传输FIS。从HBA的视角来看，下游的设备都是最高速率运行的，FIS传输占用的时间会缩短，从而提高访问SATA磁盘的性能。
然而现有方案仅制定了一种抽象的原理，尚未制定出一种可行的技术方案和明确且统一的技术标准。由于不同硬件厂商采取的设计各不相同，性能也有差异，因此无法确保各个设备的运行速率满足要求，最终导致HBA难以快速并可靠地完成FIS传输。
发明内容
本发明的目的在于一种SATA磁盘动态加速访问方法和装置，通过对NCQ命令I/O传输实时监测和动态加速，以最低的硬件开销，获得最大的性能提升。
根据本发明的第一方面，首先提供了一种SATA磁盘动态加速访问方法，包括：
S101、当bridge在直传模式下发送DMA Setup FIS时，记录所述DMA Setup FIS中的NCQ命令信息以及数据长度指示符；
S102、向仲裁逻辑发出请求，申请分配存储单元，并等待所述仲裁逻辑的仲裁结果；
S103、当仲裁成功时，将所述bridge从所述直传模式切换到动态加速模式，等待接收Data FIS；
S104、接收并缓存所述Data FIS，并且当缓存的Data FIS数量达到预定义阈值时，发送缓存的Data FIS；
S105、当已发送的Data FIS长度达到所述数据长度指示符时，将所述bridge从所述动态加速模式切换到所述直传模式。
优选地，所述数据长度指示符可以是所述DMA Setup FIS中的bytecnt信息。
优选地，在S102中，在所述等待所述仲裁逻辑的仲裁结果之后，进一步包括：
当多个bridge同时申请所述存储单元时，所述仲裁逻辑根据bridge的优先级来分配存储单元；如果当前bridge已被分配存储资源，则将当前bridge的优先级降低。
优选地，在所述等待接收Data FIS之前，该方法包括：
建立所述bridge的内部数据通路和所述存储单元的通路的连接，并启动Data FIS的接收过程，以等待接收Data FIS。
优选地，所述bridge包括发送FIFO和接收FIFO，并且在S104中，当所述缓存的DataFIS数量达到接收FIFO的长度时，发送所述缓存的Data FIS。
根据本发明的第二方面，相应地，提供了一种SATA磁盘动态加速访问装置，包括：
记录单元，用于当bridge在直传模式下发送DMA Setup FIS时，记录所述DMASetup FIS中的NCQ命令信息以及数据长度指示符；
仲裁单元，用于向仲裁逻辑发出请求，申请分配存储单元，并等待所述仲裁逻辑的仲裁结果；
动态加速模式切换单元，用于当仲裁成功时，将所述bridge从所述直传模式切换到动态加速模式，等待接收Data FIS；
数据传输单元，用于接收并缓存所述Data FIS，并且当缓存的Data FIS数量达到预定义阈值时，发送缓存的Data FIS；
直传模式切换单元，用于当已发送的Data FIS长度达到所述数据长度指示符时，将所述bridge从所述动态加速模式切换到所述直传模式。
优选地，所述数据长度指示符为所述DMA Setup FIS中的bytecnt信息。
优选地，所述仲裁单元，进一步被配置为，当多个bridge同时申请所述存储单元时，如果当前bridge已被分配存储资源，则将当前bridge的优先级降低。
优选地，所述动态加速模式切换单元进一步被配置为，在所述等待接收Data FIS之前：
建立所述bridge的内部数据通路和所述存储单元的通路的连接，并启动Data FIS的接收过程，以等待接收Data FIS。
优选地，所述bridge包括发送FIFO和接收FIFO，并且所述数据传输单元进一步被配置为，当所述缓存的Data FIS数量达到接收FIFO的长度时，发送所述缓存的Data FIS。
相比于现有技术，本发明的SATA磁盘动态加速访问方法和装置，通过在直传模式和动态加速模式之间动态切换，兼顾了SATA磁盘访问的性能与可靠性，而且节约了硬件资源。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得对本领域技术普通人员显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获取。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的某些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
图1示出了根据本发明的SATA磁盘动态加速访问方法的流程图。
图2示出了根据本发明的SATA磁盘动态加速访问装置的模块图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明旨在提出一种可行的动态加速方案，能够以最低的硬件开销，获得最大的性能提升。发明人在长期研发过程中发现，NCQ(命令队列深度)命令被引入SATA 2.0中以后，逐渐以其高效的传输性能而成为主流应用场景，因此对NCQ命令的加速可以带来更高的收益。通过分析总结NCQ命令的执行特点，本发明提出了对NCQ命令I/O传输实时监测和动态加速的方案。
为了兼顾性能与可靠性，本发明根据NCQ命令的不同传输阶段，对Expander中的bridge(桥)进行配置，以在直传模式和动态加速模式之间动态切换。
参见图1的流程图，根据本发明第一方面的SATA磁盘动态加速访问方法，包括：
S101、当bridge在直传模式下发送DMA Setup FIS时，记录所述DMA Setup FIS中的NCQ命令信息以及数据长度指示符。
具体地，该方法基于NCQ命令传输序列，当在Expander的直传模式下传输DMASetup FIS时，bridge提取并记录其携带的NCQ命令，以及传输的数据长度指示符bytecnt和传输方向direction。所述传输方向指示DMA Setup FIS是从HBA发送到SATA，还是从SATA发送到HBA。
S102、向仲裁逻辑发出请求，申请分配存储单元，并等待所述仲裁逻辑的仲裁结果。
在仲裁阶段，所述仲裁逻辑采用动态均衡策略。存储单元是expander内部的共享SRAM单元。当有多个bridge同时申请所述存储单元时，仲裁逻辑根据所有bridge的优先级来分配。如果当前bridge已被分配存储资源，则将该bridge的优先级降低。该均衡策略保证下一次申请时，未仲裁成功的bridge可以具有较高的优先级，有更多的机率获得存储资源。进一步地，所述存储单元的分配基于回收机制。对于已分配的存储单元，如果在预定义时间内，对应的bridge未使用该存储单元进行Data FIS的传输，则断开bridge内部数据通路和该存储单元的连接，并将对应的存储单元进行回收。
在对存储单元的分配时，通过采用上述动态仲裁和实时回收的机制，有利于节约硬件资源，以保证接入多个SATA磁盘时能够均衡分配存储单元，且不造成资源浪费。
S103、当仲裁成功时，将所述bridge从所述直传模式切换到动态加速模式，等待接收Data FIS。
如果仲裁结果为仲裁成功，表示存储单元已分配，此时bridge切换到动态加速模式，将内部数据通路和存储单元通路进行连通，并启动Data FIS的接收过程。由于动态加速模式下，bridge能够支持接收数据的缓存，因此保证SATA磁盘与HBA之间的链路速度最快。
S104、接收并缓存所述Data FIS，并且当缓存的Data FIS数量达到预定义阈值时，发送缓存的Data FIS。
具体地，所述bridge包括发送FIFO和接收FIFO，分别用于在发送和接收磁盘数据时对数据进行缓存。当缓存的Data FIS数量达到预定义目标数量时，bridge根据所提取的传输方向信息来发送Data FIS。例如，当缓存的Data FIS数量达到接收FIFO的长度时，bridge开始发送Data FIS。
S105、当已发送的Data FIS长度达到所述数据长度指示符时，将所述bridge从所述动态加速模式切换到所述直传模式。
在传输的Data FIS长度符合步骤S101所记录的bytecnt值时，HBA和SATA磁盘的状态已经同步，因此将bridge从动态加速模式切换到直传模式，以保持Expander工作在较高的可靠性之下。
由于Expander在直传模式下，只负责维护STP链路，HBA和SATA磁盘的状态是同步的，此时的性能较差，但可靠性最佳。而在动态加速模式下，Expander需要将Data FIS缓存，并保证与HBA之间的链路速度是最快的，此时的性能最佳，但可靠性下降。因此从以上实施例中可以看出，本发明的SATA磁盘动态加速访问方法，兼顾了直传模式的高可靠性和动态加速模式的高性能，在高可靠性优先的情况下切换到Expander的直传模式，而在速度优先的情况下切换到Expander的动态加速模式，显著提升了SATA磁盘整体访问性能。
在进一步的实施例中，本领域技术人员可以理解，当再次向仲裁逻辑发出分配存储单元的请求时，并且当仲裁成功时，仍可以将bridge从所述直传模式切换到动态加速模式。即方法返回步骤S102，重复执行步骤S102-S105的流程，实现直传模式与动态加速模式的双向动态切换。
相应地，参见图2，本发明在第二方面提供了一种SATA磁盘动态加速访问装置，包括：
记录单元201，用于当bridge在直传模式下发送DMA Setup FIS时，记录所述DMASetup FIS中的NCQ命令信息以及数据长度指示符；
仲裁单元202，用于向仲裁逻辑发出请求，申请分配存储单元，并等待所述仲裁逻辑的仲裁结果；
动态加速模式切换单元203，用于当仲裁成功时，将所述bridge从所述直传模式切换到动态加速模式，等待接收Data FIS；
数据传输单元204，用于接收并缓存所述Data FIS，并且当缓存的Data FIS数量达到预定义阈值时，发送缓存的Data FIS；
直传模式切换单元205，用于当已发送的Data FIS长度达到所述数据长度指示符时，将所述bridge从所述动态加速模式切换到所述直传模式。
需要说明的是，以上所示的流程图或结构图仅用于说明而非限定本发明的技术方案。本领域技术人员可以理解，在本发明基础上可以根据实际需要而上述方法流程细节等做出容易想到的任意调整，而不应将本发明限于上述示例的具体结构或参数。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种SATA磁盘动态加速访问方法，用于实现NCQ命令I/O传输的监测和动态加速，其特征在于，包括：
S101、当Expander的bridge在所述Expander的直传模式下发送DMA Setup FIS时，记录所述DMA Setup FIS中的NCQ命令信息以及所述DMA Setup FIS的数据长度指示符和传输方向信息；所述数据长度指示符为所述DMA Setup FIS中的bytecnt信息；
S102、向仲裁逻辑发出请求，申请分配存储单元，并等待所述仲裁逻辑的仲裁结果；
S103、当仲裁成功时，将所述bridge从所述Expander的直传模式切换到所述Expander的动态加速模式，等待接收Data FIS；
S104、接收并缓存所述Data FIS，并且当缓存的Data FIS数量达到预定义阈值时，所述bridge根据所提取的传输方向信息发送缓存的Data FIS；
S105、当已发送的Data FIS长度达到所述数据长度指示符时，将所述bridge从所述Expander的动态加速模式切换到所述Expander的直传模式。
2.根据权利要求1所述的SATA磁盘动态加速访问方法，其特征在于，在所述等待所述仲裁逻辑的仲裁结果之后，进一步包括：
当多个bridge同时申请所述存储单元时，所述仲裁逻辑根据bridge的优先级来分配存储单元；如果当前bridge已被分配存储资源，则将当前bridge的优先级降低。
3.根据权利要求1所述的SATA磁盘动态加速访问方法，其特征在于，在所述等待接收Data FIS之前，该方法包括：
建立所述bridge的内部数据通路和所述存储单元的通路的连接，并启动Data FIS的接收过程，以等待接收Data FIS。
4.根据权利要求1所述的SATA磁盘动态加速访问方法，其特征在于，所述bridge包括发送FIFO和接收FIFO，并且在S104中，当所述缓存的Data FIS数量达到接收FIFO的长度时，发送所述缓存的Data FIS。
5.一种SATA磁盘动态加速访问装置，用于实现NCQ命令I/O传输的监测和动态加速，其特征在于，包括：
记录单元，用于当Expander的bridge在所述Expander的直传模式下发送DMA SetupFIS时，记录所述DMA Setup FIS中的NCQ命令信息以及所述DMA Setup FIS的数据长度指示符和传输方向信息；所述数据长度指示符为所述DMA Setup FIS中的bytecnt信息；
仲裁单元，用于向仲裁逻辑发出请求，申请分配存储单元，并等待所述仲裁逻辑的仲裁结果；
动态加速模式切换单元，用于当仲裁成功时，将所述bridge从所述Expander的直传模式切换到所述Expander的动态加速模式，等待接收Data FIS；
数据传输单元，用于接收并缓存所述Data FIS，并且当缓存的Data FIS数量达到预定义阈值时，所述bridge根据所提取的传输方向信息发送缓存的Data FIS；
直传模式切换单元，用于当已发送的Data FIS长度达到所述数据长度指示符时，将所述bridge从所述Expander的动态加速模式切换到所述Expander的直传模式。
6.根据权利要求5所述的SATA磁盘动态加速访问装置，其特征在于，所述仲裁单元进一步被配置为，在所述等待所述仲裁逻辑的仲裁结果之后，当多个bridge同时申请所述存储单元时，如果当前bridge已被分配存储资源，则将当前bridge的优先级降低。
7.根据权利要求6所述的SATA磁盘动态加速访问装置，其特征在于，所述动态加速模式切换单元进一步被配置为，在所述等待接收Data FIS之前：
建立所述bridge的内部数据通路和所述存储单元的通路的连接，并启动Data FIS的接收过程，以等待接收Data FIS。
8.根据权利要求6所述的SATA磁盘动态加速访问装置，其特征在于，所述bridge包括发送FIFO和接收FIFO，并且所述数据传输单元进一步被配置为，当所述缓存的Data FIS数量达到接收FIFO的长度时，发送所述缓存的Data FIS。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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