CN117369721A - 一种数据读写处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数据读写处理系统和方法，属于非易失性存储介质的数据管理及固态存储主控芯片技术领域。通过NVM命令队列和处理器交互队列1获取数据读写命令，通过处理器交互队列1获取非易失存储单元的读、写命令，通过处理器交互队列2反馈数据处理完成状态；通过数据迁移处理器进行数据迁移和映射更新；其与存储介质控制单元通过消息队列进行交互；通过命令处理器、数据迁移处理器、数据缓存管理器、后端命令处理器、元数据管理器和基址寄存器，解决系统资源的大量消耗，也减少了数据转换过程中响应延时，提升了固态存储控制器内部数据读写处理带宽、减少响应时延长和解决了过多系统资源问题。

Description

一种数据读写处理系统和方法

技术领域

本发明涉及一种数据读写处理系统和方法，属于非易失性存储介质的数据管理及固态存储主控芯片技术领域。

背景技术

NVM Express（NVMe），或称非易失性内存主机控制器接口规范是一个逻辑设备接口规范。它是与AHCI类似的、基于设备逻辑接口的总线传输协议规范（相当于通讯协议中的应用层），用于访问通过PCI Express（PCIe）总线附加的非易失性存储器介质（例如采用闪存的固态硬盘驱动器）。NVM代表非易失性存储器（non-volatile memory）的首字母缩略字，这是固态硬盘（SSD）的常见的闪存形式。此规范主要是为基于闪存的存储设备提供一个低延时、内部并发化的原生界面规范，也为现代CPU、计算机平台及相关应用提供原生存储并发化的支持，令主机硬件和软件可以充分利用固态存储设备的并行化存储能力。相比此前机械硬盘驱动器（HDD）时代的AHCI，NVMe/NVMHCI降低了I/O操作等待时间、提升同一时间内的操作数、更大容量的操作队列等。

固态硬盘的核心管理层是逻辑转换层，它主要用于主机文件系统屏蔽非易失存储单元的存储特性，使其可以像使用磁盘一样使用固态硬盘；它可以针对非易失存储单元特性管理非易失存储单元的各种操作，以充分利用其高性能，延长其寿命。

基于非易失存储器介质的固态硬盘的带宽随着非易失存储器技术和高速接口协议的改进而增加，为了支持高带宽数据读写处理，固态硬盘内部并行性被利用，如多平面、多通道、多存储芯片并行操作来提高存储介质带宽，但提高控制器内部数据读写处理带宽需要增加系统资源（如CPU、SRAM、高性能的DRAM、系统总线等）。固态硬盘的固件（或逻辑转换层）将主机的读写请求（逻辑地址）转换为存储设备的读写请求（物理地址），并将存储设备的请求（命令）发送给闪存控制器处理读写操作，在处理过程中，消耗了大量的系统资源（如CPU、SRAM、高性能的DRAM、系统总线等），而且在转换过程中也增加了数据响应的时延。除此之外，垃圾回收也使用相同的资源，包括CPU、DRAM、ECC（纠错码）和系统总线，以及将有效页面数据读出，再把数据写入目标空闲块时的非易失存储单元。为了解决固态存储控制器内部数据读写处理带宽、响应时延长和占用过多系统资源问题，固态存储控制器中高效的自动化数据读写处理系统是必然需求。

响应主机的读写数据请求和垃圾回收过程是基于非易失存储器介质的固态硬盘中的关键处理过程；在传输接口高带宽下，为了适配在固态存储控制器内部需要增加大量的系统资源，使整个固态存储控制器的设计变得更加复杂并且各个通路的延时也会增加，为了高效处理数据读写并适配接口带宽减少系统负担，需要使用独立的数据读写处理系统；由于主机的数据读写请求和垃圾回收使用相同的资源，当垃圾回收进行数据读写处理时，它基本上由非易失存储单元对非易失存储单元进行数据搬移，而且在数据搬移过程中需要通过系统总线发送到中间系统组件（例如DRAM和ECC），并为系统资源创建冲突，两者之间的冲突可能会影响总体性能、延时和吞吐量。所以需要一套高效的、低时延和占用系统资源少的数据读写处理系统。

发明内容

本发明目的是提供了一种数据读写处理系统和方法，提升了固态存储控制器内部数据读写处理带宽、减少响应时延长和解决了过多系统资源问题。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种数据读写处理系统，所述系统通过NVM命令队列和处理器交互队列1获取数据读写命令，通过处理器交互队列1获取非易失存储单元的读、写命令，通过处理器交互队列2反馈数据处理完成状态；通过数据迁移处理器进行数据迁移和映射更新；其与存储介质控制单元通过消息队列进行交互；

包括：命令处理器、数据迁移处理器、后端命令处理器、元数据管理器、基址寄存器和数据缓存管理器；

所述命令处理器被配置为解析处理NVM的读写命令、处理非易失存储介质的读写命令、逻辑地址的全局转换和控制数据迁移处理器和后端命令处理器；

所述数据迁移处理器被配置为主机与随机存储单元之间的数据搬移、主机与存储介质控制单元数据缓存之间的数据搬移、随机存储单元与存储介质控制单元数据缓存之间的数据搬移、随机存储单元与随机存储单元之间的数据搬移、映射的更新和系统装置内部缓存之间数据迁移；

所述数据缓存管理器被配置为管理数据缓存，数据缓存由存储介质控制单元触发释放；

所述后端命令处理器被配置为管理非易失存储介质的读写操作管理、控制及传递和控制元数据管理器；

所述元数据管理器被配置为管理处理过程的元数据，所述元数据包括逻辑地址、新的物理地址、旧的物理地址；

所述基址寄存器被配置为寄存各个模块数据操作的基址。

优选的，所述命令处理器包含地址寄存器、控制器、读写命令处理器、逻辑地址转换器和缓存；命令处理器通过控制器获取NVM命令队列中的读写命令存放缓存中，利用逻辑地址转换器把逻辑地址转换成全局的逻辑地址，转换完后控制器更新相应缓存变量；

所述地址寄存器被配置为寄存各个模块数据操作的基址；

所述控制器被配置为获取NVM命令并转换，控制逻辑地址转换器；

所述读写命令处理器被配置为处理控制器转换后的读写命令和非易失存储单元的读写命令，并控制数据迁移处理器和数据缓存获取；

所述逻辑地址转换器被配置为是把NVM命令中逻辑地址转换成固态硬盘的全局逻辑地址；

所述缓存被配置为缓存解析后的命令、元数据和配置参数。

优选的，所述读写命令处理器处理控制器转换后的读写命令和非易失存储单元的读写命令，具体方式如下：

所述读写命令处理器通过寄存器地址读取转换后NVM命令，如果是读命令，启动数据迁移处理器获取对应保存在随机存储单元中的物理地址，把相应的命令传递给后端命令处理器；如果是写命令，从数据缓存管理器中获取相应的数据缓存，启动数据迁移处理器从主机搬移数据到数据缓存中，把相应的命令和元数据传递给后端命令处理器；

读写命令处理器从处理器交互队列1获取针对非易失存储单元的读写操作存放在缓存中，如果是读命令，获取从数据缓存管理器中获取相应的数据缓存，把相应的命令和元数据传递给后端命令处理器；如果是写命令，把相应的命令和元数据传递给后端命令处理器。

优选的，所述后端命令处理器根据地址寄存器中地址通过控制器直接获取命令处理器处理后的命令，如果是读命令，读命令管理器根据缓存中的起始物理地址和读取的数据长度转换成非易失存储介质通用标准的读命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中；如果是写命令，写命令管理器根据数据缓存的个数把缓存数据分配到相应的写操作单元中，同时更新对应的元数据缓存，如果写操作单元已被填满，根据起始物理地址换成非易失存储介质通用标准的写命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中；存储介质控制单元把针对非易失存储介质读写操作的状态通过交互的消息队列反馈给后端命令处理器，后端命令处理器根据返回消息进行相应的处理；

所述后端命令处理器包括地址寄存器、控制器、写命令管理器、读命令管理器、返回状态处理器和缓存；

所述地址寄存器被配置为寄存各个模块数据操作的基址；

所述控制器被配置为通过地址寄存器中的值获取命令处理器的命令控制写命令管理器和读命令管理器进行处理，根据返回状态处理器中返回状态进行处理；

所述写命令管理器被配置为处理非易失存储介质的写操作，它根据数据缓存的个数逐渐填满写操作单元中，同时更新对应的元数据缓存，等写操作单元已被填满后，它根据起始物理地址换成非易失存储介质通用标准的写命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中；

所述读命令管理器被配置为处理非易失存储介质的读操作，它根据缓存中的起始物理地址和读取的数据长度转换成非易失存储介质通用标准的读命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中；

所述返回状态处理器被配置为处理非易失存储介质的读写操作返回值，它根据返回状态交给控制器做相应处理；

所述缓存被配置为缓存读写操作命令、元数据和配置参数。

优选的，所述数据迁移处理器包括地址寄存器、控制器、命令DMA、写数据DMA、读数据DMA、映射DMA和缓存；

所述地址寄存器被配置为寄存各个模块数据操作的基址；

所述控制器控制各个DMA的配置、启动和检查状态；

所述命令DMA被配置为搬移NVM命令、搬移处理器命令、获取主机和控制器内数据缓存地址和系统装置内部的缓存搬移；

所述写数据DMA被配置为搬移主机与随机存储单元之间的数据、搬移随机存储单元与存储介质控制单元之间的数据和搬移随机存储单元与随机存储单元之间的数据；

所述读数据DMA根据存储介质控制单元触发结果，搬移主机与随机存储单元之间的数据和搬移主机与存储介质控制单元数据缓存之间的数据；

所述映射DMA被配置为逻辑地址的映射读取和更新和元数据的搬移；

所述缓存被配置为缓存DMA的源地址和目标地址、各个DMA状态。

优选的，所述数据缓存管理器包括地址寄存器、缓存管理器和缓存；

所述地址寄存器被配置为寄存各种类型数据缓存的基址；

所述缓存管理器被配置为按照数据缓存类型进行分组管理，每个数据缓存都有对应的标识，按照随机或顺序来管理数据缓存标识，数据缓存由存储控制单元来释放相应的标识，由命令处理器来获得相应的标识；

缓存主要是缓存数据缓存的管理结构体。

优选的，所述元数据管理器包括地址寄存器、元数据控制器、读元数据管理器、写元数据管理器和缓存；

所述地址寄存器被配置为寄存各种类型元数据缓存的基址；

所述元数据控制器被配置为根据命令类型把元数据更新到相应的位置；

所述读元数据管理器被配置为管理缓存垃圾回收读类型的元数据，该数据由存储介质控制单元通过DMA搬移到读元数据缓存中并记录相应位置；

所述写元数据管理器管理写操作的元数据更新记录，元数据与数据都要写入非易失存储介质中；

所述缓存被配置为缓存动态的管理信息。

一种数据读写处理方法，包括：

NVM的读命令处理流程，具体流程如下：

固态硬盘通过NVM控制单元主动获取命令自动缓存在NVM命令队列中，数据读写处理系统从NVM命令队列中获取读命令；

数据读写处理系统的命令处理器根据读命令的起始逻辑地址和长度转换固态硬盘中的全局逻辑地址；

命令处理器根据全局的逻辑地址和长度配置启动数据迁移处理器读取对应的数据存储在非易失存储介质中的物理地址；

命令处理器检查数据迁移处理器的映射读取返回状态，并该命令及返回状态传递给后端命令处理器；

后端命令处理器根据命令和状态配置读消息，配置完成后把读消息压到与存储介质控制单元交互队列中；

存储介质控制单元根据物理地址发起非易失存储介质读的命令；

当数据通过存储介质控制单元读到缓存中，存储介质控制单元触发数据迁移处理器启动读DMA把数据搬移到主机指定的缓存中；

当读DMA把该读命令的数据传输完，自动回给主机命令完成并释放相应的读命令缓存；

NVM的写命令处理流程，具体流程如下：

固态硬盘通过NVM控制单元主动获取命令自动缓存在NVM命令队列中，数据读写处理系统从NVM命令队列中获取写命令；

数据读写处理系统的命令处理器根据写命令的起始逻辑地址和长度转换固态硬盘中的全局逻辑地址；

命令处理器根据起始逻辑地址和长度从数据缓存管理器中获取相应的数据缓存标识；

数据处理器配置启动数据迁移处理器中写DMA；

数据迁移处理器启动写DMA把数据从主机数据缓存中搬移到相应的数据缓存标识的缓存中；

当写DMA把该写命令的数据传输完，自动回给主机命令完成，命令处理器把写命令的元数据传递给后端命令处理器；

后端命令处理器根据写命令的元数据更新到相应的写操作单元的元数据管理器中；

后端命令处理器更新完把状态反馈给命令处理器，命令处理器释放相应的写命令缓存；

命令处理器启动数据迁移处理器的映射DMA更新相应的逻辑地址的映射；

垃圾回收的读处理流程，具体流程如下：

数据读写处理系统从处理器交互队列1中获取读命令；

命令处理器传递给后端命令处理器，它根据命令配置读消息，配置完成后把读消息压到与存储介质控制单元交互队列中；

存储介质控制单元根据物理地址发起非易失存储介质读的命令；

当数据通过存储介质控制单元的DMA搬移到数据缓存中，对的元数据也被搬移到相应的元数据管理器的缓存中；

后端命令处理器中的返回状态管理器把此命令状态传递给控制器，控制器把相应的消息转换成非易失存储介质写操作，把该命令交由写命令管理器；

写命令管理器根据写命令的元数据更新到相应的写操作单元的元数据管理器中；

后端命令处理器更新完把状态反馈给命令处理器，命令处理器释放相应的读命令缓存；

命令处理器启动数据迁移处理器的映射DMA更新相应的逻辑地址的映射；

非易失存储介质的写操作流程，具体流程如下：

数据读写处理系统的后端命令处理器自动从处理器交互队列2中获取非易失存储介质的写入锚点；

后端命令处理器从元数据管理器获取写操作单元的元数据管理缓存标识并更新到管理结构体中；

当有新的写命令时，它根据数据缓存的个数逐渐填满写操作单元中，同时更新对应的元数据缓存，等写操作单元已被填满后，它根据起始物理地址换成非易失存储介质通用标准的写命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中；

存储介质控制单元根据写消息的物理地址发起非易失存储介质写的命令；

当存储介质控制单元利用DMA把数据从数据缓存中搬移到控制单元的缓存中，搬移完成后触发数据缓存管理器释放对应的数据缓存标识；

当非易失存储单元执行完写操作后，存储介质控制单元把状态反馈给后端命令处理器；

后端命令处理器把状态通过处理器交互队列2传递给处理器；

处理器处理完元数据后，把处理状态通过处理器交互队列2传递给后端命令处理器；

后端命令处理器释放相应的元数据资源。

本发明的优点在于：本发明解决系统资源的大量消耗，也减少了数据转换过程中响应延时，消除了主机命令处理和垃圾回收处理系统资源创建冲突，从而提升了固态存储控制器内部数据读写处理带宽、减少响应时延长和解决了过多系统资源问题。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为固态硬盘结构和通信结构示意图。

图2为操作单元结构示意图。

图3为自动化数据读写处理系统、装置结构示意图。

图4为命令处理器结构示意图。

图5为后端命令处理器结构示意图。

图6为数据迁移处理器结构示意图。

图7为数据缓存管理器结构示意图。

图8为元数据管理器结构示意图。

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

如图1所示，主机通过通信接口向固态硬盘发送命令，固态硬盘通过NVM控制单元主动获取命令自动缓存在NVM命令队列中，数据读写处理系统、装置自动获取NVM命令。处理器将垃圾回收的读命令通过队列传递给数据读写处理系统、装置，它将自动获取命令，处理完成返回相应的状态。数据读写处理系统、装置处理命令，可以分为以下情况：

针对非易失存储单元的写命令，处理器根据逻辑转换层的管理把非易失存储单元的写命令通过队列传递给数据读写处理系统、装置，该系统、装置把写数据需要的数据收集完后触发存储介质写操作。

针对主机的写命令进行数据搬移，从主机数据缓存中搬到固态存储主控芯片的数据缓存中，同时更新相应的元数据。收集一定数据后，通过消息队列通知存储介质控制单元针对非易失存储单元进行数据的写操作。

针对主机的读命令进行数据迁移，首先根据命令通过消息队列通知存储介质控制单元针对非易失存储单元进行数据的操作。当数据从非易失存储单元读出，存储介质控制单元触发数据读写处理系统、装置进行数据从固态存储主控芯片内部搬移到主机相应的数据缓存内。

针对垃圾回收的读操作进行数据迁移，首先根据命令通过消息队列通知存储介质控制单元针对非易失存储单元进行数据的操作。当数据从非易失存储单元读出，存储介质控制单元把数据搬到相应的固态存储主控芯片数据写缓存中，并更新相应的元数据。积累一定数据后，通过消息队列通知存储介质控制单元针对非易失存储单元进行数据的写操作。

自动化数据读写处理系统具有独立的控制单元和管理单元，根据交互的读写消息进行自动的配置非易失存储控制器的读写命令和处理读写数据的迁移，可以自动化的处理主机的读写命令进行相应的数据处理。

图2是写操作单元结构图。写操作单元是非易失存储介质一次写操作需要的数据量，N值根据非易失存储介质的写操作原理和介质结构而定。

实施例1

如图3所示一种数据读写处理系统，所述系统通过NVM命令队列和处理器交互队列1获取数据读写命令，通过处理器交互队列1获取非易失存储单元的读、写命令，通过处理器交互队列2反馈数据处理完成状态。通过数据迁移处理器进行数据迁移和映射更新。其与存储介质控制单元通过消息队列进行交互。

包括：命令处理器、数据迁移处理器、后端命令处理器、元数据管理器、基址寄存器和数据缓存管理器。

命令处理器主要是解析处理NVM的读写命令、处理非易失存储介质的读写命令、逻辑地址的全局转换和控制数据迁移处理器、后端命令处理器。

数据迁移处理器主要是主机与随机存储单元之间的数据搬移、主机与存储介质控制单元数据缓存之间的数据搬移、随机存储单元与存储介质控制单元数据缓存之间的数据搬移、随机存储单元与随机存储单元之间的数据搬移、映射的更新和系统装置内部缓存之间数据迁移。

数据缓存管理器主要是管理数据缓存，数据缓存由存储介质控制单元触发释放数据缓存。

后端命令处理器主要是管理非易失存储介质的读写操作管理、控制及传递和控制元数据管理器。

元数据管理器主要是 管理处理过程的元数据（如逻辑地址、新的物理地址、旧的物理地址）。

基址寄存器主要是寄存各个模块数据操作的基址。

如图4所示是命令处理器结构图。命令处理器通过控制器获取NVM命令队列中的读写命令存放缓存中，利用逻辑地址转换器把逻辑地址转换成全局的逻辑地址，转换完后控制器更新相应缓存变量。读写命令处理器，有如下处理：

（1）读写命令处理器通过寄存器地址读取转换后NVM命令，如果是读命令，启动数据迁移处理器获取对应保存在随机存储单元中的物理地址，把相应的命令传递给后端命令处理器。如果是写命令，首先从数据缓存管理器中获取相应的数据缓存，启动数据迁移处理器从主机搬移数据到数据缓存中，其次是把相应的命令和元数据传递给后端命令处理器。

（2）读写命令处理器从处理器交互队列1获取针对非易失存储单元的读写操作存放在缓存中，如果是读命令，首先获取从数据缓存管理器中获取相应的数据缓存，然后把相应的命令和元数据传递给后端命令处理器。如果是写命令，把相应的命令和元数据传递给后端命令处理器。

命令处理器主要包含地址寄存器、控制器、读写命令处理器、逻辑地址转换器和缓存。

地址寄存器主要是寄存各个模块数据操作的基址。

控制器主要是获取NVM命令并转换，控制逻辑地址转换器。

读写命令处理器主要处理控制器转换后的读写命令和非易失存储单元的读写命令，并控制数据迁移处理器和数据缓存获取。

逻辑地址转换器主要是把NVM命令中逻辑地址转换成固态硬盘的全局逻辑地址。

缓存主要是缓存解析后的命令、元数据和配置参数。

如图5所示后端命令处理器结构图。后端命令处理器主要是处理非易失存储介质读写操作和元数据处理，它根据地址寄存器中地址通过控制器直接获取命令处理器处理后的命令，如果是读命令，读命令管理器根据缓存中的起始物理地址和读取的数据长度转换成非易失存储介质通用标准的读命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中。如果是写命令，写命令管理器根据数据缓存的个数把缓存数据分配到相应的写操作单元中，同时更新对应的元数据缓存，如果写操作单元已被填满，根据起始物理地址换成非易失存储介质通用标准的写命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中。存储介质控制单元把针对非易失存储介质读写操作的状态通过交互的消息队列反馈给后端命令处理器，后端命令处理器根据返回消息进行相应的处理，处理如下：

垃圾回收读的返回状态，控制器把相应的消息转换成非易失存储介质写操作，把交由写命令管理器。

NVM命令读的返回状态，控制器释放缓存相应的资源。

写操作返回状态，控制器把相应的元数据缓存单元的标识通过处理器交互队列反馈给处理器，处理器针对元数据缓存单元进行更新。

如果返回错误状态，控制器把相应的错误状态通过处理器交互队列反馈给处理器，处理器针错误状态进行相应处理。

后端命令处理器包括地址寄存器、控制器、写命令管理器、读命令管理器、返回状态处理器和缓存。

地址寄存器主要是寄存各个模块数据操作的基址。

控制器主要通过地址寄存器中的值获取命令处理器的命令控制写命令管理器和读命令管理器进行处理，根据返回状态处理器中返回状态进行处理。

写命令管理器主要是处理非易失存储介质的写操作，它根据数据缓存的个数逐渐填满写操作单元中，同时更新对应的元数据缓存，写操作单元已被填满后，它根据起始物理地址换成非易失存储介质通用标准的写命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中。

读命令管理器主要是处理非易失存储介质的读操作，它根据缓存中的起始物理地址和读取的数据长度转换成非易失存储介质通用标准的读命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中。

返回状态处理器主要处理非易失存储介质的读写操作返回值，它根据返回状态交给控制器做相应处理。

缓存主要是缓存读写操作命令、元数据和配置参数。

如图6所示是数据迁移处理器结构图。数据迁移处理器主要处理数据迁移和映射读取、更新，它主要是处理主机与随机存储单元之间的数据搬移、主机与存储介质控制单元数据缓存之间的数据搬移、随机存储单元与存储介质控制单元数据缓存之间的数据搬移、随机存储单元与随机存储单元之间的数据搬移和系统装置内部缓存之间数据迁移。

数据迁移处理器包括地址寄存器、控制器、命令DMA、写数据DMA、读数据DMA、映射DMA和缓存。

地址寄存器 主要是寄存各个模块数据操作的基址。

控制器控制各个DMA的配置、启动和检查状态。

命令DMA主要是搬移NVM命令、搬移处理器命令、获取主机和控制器内数据缓存地址和系统装置内部的缓存搬移。

写数据DMA主要搬移主机与随机存储单元之间的数据、搬移随机存储单元与存储介质控制单元之间的数据和搬移随机存储单元与随机存储单元之间的数据。

读数据DMA主要搬移主机与随机存储单元之间的数据和搬移主机与存储介质控制单元数据缓存之间的数据（此搬移由存储介质控制单元触发）。

映射DMA主要是逻辑地址的映射读取和更新和元数据的搬移。

缓存主要是缓存DMA的源地址和目标地址、各个DMA状态。

如图7所示是数据缓存管理器结构图。数据缓存管理器主要管理由存储介质控制单元释放的数据缓存，在命令处理器在处理写和读命令时需要获取一定量的数据缓存。数据缓存管理器主要包括地址寄存器、缓存管理器和缓存。

地址寄存器主要是寄存各种类型数据缓存的基址。

缓存管理器主要是按照数据缓存类型进行分组管理，每个数据缓存都有对应的标识，主要是按照随机或顺序来管理数据缓存标识，数据缓存由存储控制单元来释放相应的标识，由系统、装置的命令处理器来获得相应的标识。

缓存主要是缓存数据缓存的管理结构体。

如图8所示是元数据管理器结构图。元数据管理器主要是管理写操作时产生的元数据和垃圾回收读操作产生的元数据。元数据管理器主要包括地址寄存器、元数据控制器、读元数据管理器、写元数据管理器和缓存。

地址寄存器主要是寄存各种类型元数据缓存的基址。

元数据控制器主要是根据命令类型把元数据更新到相应的位置上。

读元数据管理器主要是管理缓存垃圾回收读类型的元数据，该数据主要是由存储介质控制单元通过DMA搬移到读元数据缓存中并记录相应位置。

写元数据管理器主要管理写操作的元数据更新记录，元数据与数据都要写入非易失存储介质中。

缓存主要缓存动态的管理信息。

实施例2

一种数据读写处理方法，包括：

（1）NVM的读命令处理流程，具体流程如下：

（2）固态硬盘通过NVM控制单元主动获取命令自动缓存在NVM命令队列中，数据读写处理系统从NVM命令队列中获取读命令。

（3）数据读写处理系统的命令处理器根据读命令的起始逻辑地址和长度转换固态硬盘中的全局逻辑地址。

（4）命令处理器根据全局的逻辑地址和长度配置启动数据迁移处理器读取对应的数据存储在非易失存储介质中的物理地址。

（5）命令处理器检查数据迁移处理器的映射读取返回状态，并该命令及返回状态传递给后端命令处理器。

（6）后端命令处理器根据命令和状态配置读消息，配置完成后把读消息压到与存储介质控制单元交互队列中。

（7）存储介质控制单元根据物理地址发起非易失存储介质读的命令。

（8）当数据通过存储介质控制单元读到缓存中，存储介质控制单元触发数据迁移处理器启动读DMA把数据搬移到主机指定的缓存中。

（9）当读DMA把该读命令的数据传输完，自动回给主机命令完成并释放相应的读命令缓存。

NVM的写命令处理流程，具体流程如下：

（1）固态硬盘通过NVM控制单元主动获取命令自动缓存在NVM命令队列中，数据读写处理系统从NVM命令队列中获取写命令。

（2）数据读写处理系统的命令处理器根据写命令的起始逻辑地址和长度转换固态硬盘中的全局逻辑地址。

（3）命令处理器根据起始逻辑地址和长度从数据缓存管理器中获取相应的数据缓存标识。

（4）数据处理器配置启动数据迁移处理器中写DMA。

（5）数据迁移处理器启动写DMA把数据从主机数据缓存中搬移到相应的数据缓存标识的缓存中。

（6）当写DMA把该写命令的数据传输完，自动回给主机命令完成，命令处理器把写命令的元数据传递给后端命令处理器。

（7）后端命令处理器根据写命令的元数据更新到相应的写操作单元的元数据管理器中。

（8）后端命令处理器更新完把状态反馈给命令处理器，命令处理器释放相应的写命令缓存。

（9）命令处理器启动数据迁移处理器的映射DMA更新相应的逻辑地址的映射。

垃圾回收的读处理流程，具体流程如下：

（1）数据读写处理系统从处理器交互队列1中获取读命令。

（2）命令处理器传递给后端命令处理器，它根据命令配置读消息，配置完成后把读消息压到与存储介质控制单元交互队列中。

（3）存储介质控制单元根据物理地址发起非易失存储介质读的命令。

（4）当数据通过存储介质控制单元的DMA搬移到数据缓存中，对的元数据也被搬移到相应的元数据管理器的缓存中。

（5）后端命令处理器中的返回状态管理器把此命令状态传递给控制器，控制器把相应的消息转换成非易失存储介质写操作，把该命令交由写命令管理器。

（6）写命令管理器根据写命令的元数据更新到相应的写操作单元的元数据管理器中。

（7）后端命令处理器更新完把状态反馈给命令处理器，命令处理器释放相应的读命令缓存。

（8）命令处理器启动数据迁移处理器的映射DMA更新相应的逻辑地址的映射。

非易失存储介质的写操作流程，具体流程如下：

（1）数据读写处理系统的后端命令处理器自动从处理器交互队列2中获取非易失存储介质的写入锚点。

（2）后端命令处理器从元数据管理器获取写操作单元的元数据管理缓存标识并更新到管理结构体中。

（3）当有新的写命令时，它根据数据缓存的个数逐渐填满写操作单元中，同时更新对应的元数据缓存，写操作单元已被填满后，它根据起始物理地址换成非易失存储介质通用标准的写命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中。

（4）存储介质控制单元根据写消息的物理地址发起非易失存储介质写的命令。

（5）当存储介质控制单元利用DMA把数据从数据缓存中搬移到控制单元的缓存中，搬移完成后触发数据缓存管理器释放对应的数据缓存标识。

（6）当非易失存储单元执行完写操作后，存储介质控制单元把状态反馈给后端命令处理器。

（7）后端命令处理器把状态通过处理器交互队列2传递给处理器。

（8）处理器处理完元数据后，把处理状态通过处理器交互队列2传递给后端命令处理器。

（9）后端命令处理器释放相应的元数据资源。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。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)

1.一种数据读写处理系统，其特征在于，所述系统通过NVM命令队列和处理器交互队列1获取数据读写命令，通过处理器交互队列1获取非易失存储单元的读、写命令，通过处理器交互队列2反馈数据处理完成状态；通过数据迁移处理器进行数据迁移和映射更新；其与存储介质控制单元通过消息队列进行交互；

包括：命令处理器、数据迁移处理器、后端命令处理器、元数据管理器、基址寄存器和数据缓存管理器；

所述命令处理器被配置为解析处理NVM的读写命令、处理非易失存储介质的读写命令、逻辑地址的全局转换和控制数据迁移处理器和后端命令处理器；

所述数据迁移处理器被配置为主机与随机存储单元之间的数据搬移、主机与存储介质控制单元数据缓存之间的数据搬移、随机存储单元与存储介质控制单元数据缓存之间的数据搬移、随机存储单元与随机存储单元之间的数据搬移、映射的更新和系统装置内部缓存之间数据迁移；

所述数据缓存管理器被配置为管理数据缓存，数据缓存由存储介质控制单元触发释放；

所述后端命令处理器被配置为管理非易失存储介质的读写操作管理、控制及传递和控制元数据管理器；

所述元数据管理器被配置为管理处理过程的元数据，所述元数据包括逻辑地址、新的物理地址、旧的物理地址；

所述基址寄存器被配置为寄存各个模块数据操作的基址。

2.根据权利要求1所述的数据读写处理系统，其特征在于，所述命令处理器包含地址寄存器、控制器、读写命令处理器、逻辑地址转换器和缓存；命令处理器通过控制器获取NVM命令队列中的读写命令存放缓存中，利用逻辑地址转换器把逻辑地址转换成全局的逻辑地址，转换完后控制器更新相应缓存变量；

所述地址寄存器被配置为寄存各个模块数据操作的基址；

所述控制器被配置为获取NVM命令并转换，控制逻辑地址转换器；

所述读写命令处理器被配置为处理控制器转换后的读写命令和非易失存储单元的读写命令，并控制数据迁移处理器和数据缓存获取；

所述逻辑地址转换器被配置为是把NVM命令中逻辑地址转换成固态硬盘的全局逻辑地址；

所述缓存被配置为缓存解析后的命令、元数据和配置参数。

3.根据权利要求2所述的数据读写处理系统，其特征在于，所述读写命令处理器处理控制器转换后的读写命令和非易失存储单元的读写命令，具体方式如下：

所述读写命令处理器通过寄存器地址读取转换后NVM命令，如果是读命令，启动数据迁移处理器获取对应保存在随机存储单元中的物理地址，把相应的命令传递给后端命令处理器；如果是写命令，从数据缓存管理器中获取相应的数据缓存，启动数据迁移处理器从主机搬移数据到数据缓存中，把相应的命令和元数据传递给后端命令处理器；

读写命令处理器从处理器交互队列1获取针对非易失存储单元的读写操作存放在缓存中，如果是读命令，获取从数据缓存管理器中获取相应的数据缓存，把相应的命令和元数据传递给后端命令处理器；如果是写命令，把相应的命令和元数据传递给后端命令处理器。

4.根据权利要求1所述的数据读写处理系统，其特征在于，所述后端命令处理器根据地址寄存器中地址通过控制器直接获取命令处理器处理后的命令，如果是读命令，读命令管理器根据缓存中的起始物理地址和读取的数据长度转换成非易失存储介质通用标准的读命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中；如果是写命令，写命令管理器根据数据缓存的个数把缓存数据分配到相应的写操作单元中，同时更新对应的元数据缓存，如果写操作单元已被填满，根据起始物理地址换成非易失存储介质通用标准的写命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中；存储介质控制单元把针对非易失存储介质读写操作的状态通过交互的消息队列反馈给后端命令处理器，后端命令处理器根据返回消息进行相应的处理；

所述后端命令处理器包括地址寄存器、控制器、写命令管理器、读命令管理器、返回状态处理器和缓存；

所述地址寄存器被配置为寄存各个模块数据操作的基址；

所述控制器被配置为通过地址寄存器中的值获取命令处理器的命令控制写命令管理器和读命令管理器进行处理，根据返回状态处理器中返回状态进行处理；

所述写命令管理器被配置为处理非易失存储介质的写操作，它根据数据缓存的个数逐渐填满写操作单元中，同时更新对应的元数据缓存，写操作单元已被填满后，它根据起始物理地址换成非易失存储介质通用标准的写命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中；

所述读命令管理器被配置为处理非易失存储介质的读操作，它根据缓存中的起始物理地址和读取的数据长度转换成非易失存储介质通用标准的读命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中；

所述返回状态处理器被配置为处理非易失存储介质的读写操作返回值，它根据返回状态交给控制器做相应处理；

所述缓存被配置为缓存读写操作命令、元数据和配置参数。

5.根据权利要求1所述的数据读写处理系统，其特征在于，所述数据迁移处理器包括地址寄存器、控制器、命令DMA、写数据DMA、读数据DMA、映射DMA和缓存；

所述地址寄存器被配置为寄存各个模块数据操作的基址；

所述控制器控制各个DMA的配置、启动和检查状态；

所述命令DMA被配置为搬移NVM命令、搬移处理器命令、获取主机和控制器内数据缓存地址和系统装置内部的缓存搬移；

所述写数据DMA被配置为搬移主机与随机存储单元之间的数据、搬移随机存储单元与存储介质控制单元之间的数据和搬移随机存储单元与随机存储单元之间的数据；

所述读数据DMA根据存储介质控制单元触发结果，搬移主机与随机存储单元之间的数据和搬移主机与存储介质控制单元数据缓存之间的数据；

所述映射DMA被配置为逻辑地址的映射读取和更新和元数据的搬移；

所述缓存被配置为缓存DMA的源地址和目标地址、各个DMA状态。

6.根据权利要求1所述的数据读写处理系统，其特征在于，所述数据缓存管理器包括地址寄存器、缓存管理器和缓存；

所述地址寄存器被配置为寄存各种类型数据缓存的基址；

所述缓存管理器被配置为按照数据缓存类型进行分组管理，每个数据缓存都有对应的标识，按照随机或顺序来管理数据缓存标识，数据缓存由存储控制单元来释放相应的标识，由命令处理器来获得相应的标识；

缓存主要是缓存数据缓存的管理结构体。

7.根据权利要求1所述的数据读写处理系统，其特征在于，所述元数据管理器包括地址寄存器、元数据控制器、读元数据管理器、写元数据管理器和缓存；

所述地址寄存器被配置为寄存各种类型元数据缓存的基址；

所述元数据控制器被配置为根据命令类型把元数据更新到相应的位置；

所述读元数据管理器被配置为管理缓存垃圾回收读类型的元数据，该数据由存储介质控制单元通过DMA搬移到读元数据缓存中并记录相应位置；

所述写元数据管理器管理写操作的元数据更新记录，元数据与数据都要写入非易失存储介质中；

所述缓存被配置为缓存动态的管理信息。

8.一种使用权利要求1-7任一所述的数据读写处理方法，其特征在于，包括：

NVM的读命令处理流程，具体流程如下：

固态硬盘通过NVM控制单元主动获取命令自动缓存在NVM命令队列中，数据读写处理系统从NVM命令队列中获取读命令；

数据读写处理系统的命令处理器根据读命令的起始逻辑地址和长度转换固态硬盘中的全局逻辑地址；

命令处理器根据全局的逻辑地址和长度配置启动数据迁移处理器读取对应的数据存储在非易失存储介质中的物理地址；

命令处理器检查数据迁移处理器的映射读取返回状态，并该命令及返回状态传递给后端命令处理器；

后端命令处理器根据命令和状态配置读消息，配置完成后把读消息压到与存储介质控制单元交互队列中；

存储介质控制单元根据物理地址发起非易失存储介质读的命令；

当数据通过存储介质控制单元读到缓存中，存储介质控制单元触发数据迁移处理器启动读DMA把数据搬移到主机指定的缓存中；

当读DMA把该读命令的数据传输完，自动回给主机命令完成并释放相应的读命令缓存；

NVM的写命令处理流程，具体流程如下：

固态硬盘通过NVM控制单元主动获取命令自动缓存在NVM命令队列中，数据读写处理系统从NVM命令队列中获取写命令；

数据读写处理系统的命令处理器根据写命令的起始逻辑地址和长度转换固态硬盘中的全局逻辑地址；

命令处理器根据起始逻辑地址和长度从数据缓存管理器中获取相应的数据缓存标识；

数据处理器配置启动数据迁移处理器中写DMA；

数据迁移处理器启动写DMA把数据从主机数据缓存中搬移到相应的数据缓存标识的缓存中；

当写DMA把该写命令的数据传输完，自动回给主机命令完成，命令处理器把写命令的元数据传递给后端命令处理器；

后端命令处理器根据写命令的元数据更新到相应的写操作单元的元数据管理器中；

后端命令处理器更新完把状态反馈给命令处理器，命令处理器释放相应的写命令缓存；

命令处理器启动数据迁移处理器的映射DMA更新相应的逻辑地址的映射；

垃圾回收的读处理流程，具体流程如下：

数据读写处理系统从处理器交互队列1中获取读命令；

命令处理器传递给后端命令处理器，它根据命令配置读消息，配置完成后把读消息压到与存储介质控制单元交互队列中；

存储介质控制单元根据物理地址发起非易失存储介质读的命令；

当数据通过存储介质控制单元的DMA搬移到数据缓存中，对的元数据也被搬移到相应的元数据管理器的缓存中；

后端命令处理器中的返回状态管理器把此命令状态传递给控制器，控制器把相应的消息转换成非易失存储介质写操作，把该命令交由写命令管理器；

写命令管理器根据写命令的元数据更新到相应的写操作单元的元数据管理器中；

后端命令处理器更新完把状态反馈给命令处理器，命令处理器释放相应的读命令缓存；

命令处理器启动数据迁移处理器的映射DMA更新相应的逻辑地址的映射；

非易失存储介质的写操作流程，具体流程如下：

数据读写处理系统的后端命令处理器自动从处理器交互队列2中获取非易失存储介质的写入锚点；

后端命令处理器从元数据管理器获取写操作单元的元数据管理缓存标识并更新到管理结构体中；

当有新的写命令时，它根据数据缓存的个数逐渐填满写操作单元中，同时更新对应的元数据缓存，写操作单元已被填满后，它根据起始物理地址换成非易失存储介质通用标准的写命令，并把命令压到与存储介质控制单元的交互的消息队列中；

存储介质控制单元根据写消息的物理地址发起非易失存储介质写的命令；

当存储介质控制单元利用DMA把数据从数据缓存中搬移到控制单元的缓存中，搬移完成后触发数据缓存管理器释放对应的数据缓存标识；

当非易失存储单元执行完写操作后，存储介质控制单元把状态反馈给后端命令处理器；

后端命令处理器把状态通过处理器交互队列2传递给处理器；

处理器处理完元数据后，把处理状态通过处理器交互队列2传递给后端命令处理器；

后端命令处理器释放相应的元数据资源。