CN117591458A

CN117591458A - 一种固态硬盘热插拔管理系统及方法

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Publication number: CN117591458A
Application number: CN202410073651.7A
Authority: CN
Inventors: 谢佳; 陈旭东; 刘友松
Original assignee: Sichuan Weixin Technology Co ltd
Current assignee: Sichuan Weixin Technology Co ltd
Priority date: 2024-01-18
Filing date: 2024-01-18
Publication date: 2024-02-23
Anticipated expiration: 2044-01-18
Also published as: CN117591458B

Abstract

本发明提供了一种固态硬盘热插拔管理系统及方法，属于电数字数据处理技术领域，具体涉及计算机存储系统技术领域。固态硬盘热插拔管理系统包括相互通信的热插拔监测模块、热插拔控制模块和用户界面模块，热插拔监测模块用于实时监测SSD的插入状态和拔出状态；热插拔控制模块用于注册到计算机操作系统中断系统中，并用于监听与SSD连接接口的中断事件，当SSD插入或拔出时，硬件接口处生成中断信号，计算机操作系统会在接收到中断信号时通知热插拔监测模块。本发明能够允许用户在计算机运行期间通过软件控制SSD的热插拔，无需关闭系统，实现了便捷和高效的SSD热插拔操作，同时确保数据的完整性、系统的稳定性和用户的安全性。

Description

一种固态硬盘热插拔管理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种计算机存储系统技术领域，具体涉及一种固态硬盘热插拔管理系统及方法。

背景技术

固态硬盘（SSD）的插入和拔出通常需要关闭计算机，这对于需要频繁更换SSD的用户而言是相对不便的。在一些特定场景中，需要在计算机运行期间进行SSD的热插拔操作，以提高工作效率和系统可用性。传统的热插拔技术主要用于外部设备，而在SSD这样的内部存储设备上的热插拔技术相对不成熟。主要原因之一是在热插拔过程中，需要保证数据的完整性和一致性，以防止数据丢失或文件系统损坏。此外，热插拔过程中还需要确保系统的稳定性和安全性，以避免可能的硬件损坏或电源问题。

申请号为：CN201610628944.2的发明专利公开了本申请公开了一种PCIe设备的热插入方法和装置、热拔出方法和装置，热插入方法包括通过中断获得PCIe设备插入到系统中的信息；查询所述PCIe设备的资源空间需求；查询PCIe设备的上一级桥设备的第一空闲资源空间；如果所述第一空闲资源空间小于所述资源空间需求，则查询所述上一级桥设备的更上一级桥设备的第二空闲资源空间，如果所述第二空闲资源空间不小于所述资源空间需求，则将所述第二空闲资源空间分配给PCIe设备；在PCIe设备的上一级桥设备的扩展寄存器对中对PCIe设备占用的资源空间进行记录，能够充分利用系统的资源空间，保证了在插入新设备的桥设备资源空间不足但是全局资源空间充足的情况下，新设备依然可用，提高PCIe设备热插入的成功率。

在传统的SSD插入和拔出操作中，用户通常需要关闭计算机，这对于需要频繁更换SSD或在服务器维护、数据中心管理等场景下进行热插拔的用户来说，会导致不必要的停机时间，降低了工作效率。

传统热插拔操作在保障数据的完整性和一致性方面存在一定风险。在热插拔过程中，如果不妥善处理数据的写入和缓存，可能导致数据丢失或文件系统损坏，给用户带来不必要的麻烦。

传统热插拔技术通常依赖于硬件层面的支持，包括硬件接口的检测和电源管理。这意味着要实现SSD的热插拔，需要特定的硬件支持，限制了适用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固态硬盘热插拔管理系统及方法，其能够允许用户在计算机运行期间通过软件控制SSD的热插拔，无需关闭系统，实现了便捷和高效的SSD热插拔操作，同时确保数据的完整性、系统的稳定性和用户的安全性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种固态硬盘热插拔管理系统，包括相互通信的热插拔监测模块、热插拔控制模块和用户界面模块，

其中，热插拔监测模块用于实时监测SSD的插入状态和拔出状态；热插拔控制模块用于注册到计算机操作系统中断系统中，并用于监听与SSD连接接口的中断事件，当SSD插入或拔出时，硬件接口处生成中断信号，计算机操作系统会在接收到中断信号时通知热插拔监测模块；用户界面模块用于提供交互界面；

热插拔控制模块负责接收来自热插拔监测模块的信号，当监测到插入或拔出事件时，生成相应的插入信号或者拔出信号，并传递给热插拔控制模块，热插拔控制模块与计算机操作系统进行通信，以协调热插拔操作，通信通使用计算机操作系统提供的API或系统调用来实现。

其中，SSD插入或拔出事件采用PCIe总线链接状态变化、PERST管脚电平变化、CLKREQ、探测信号或者PCIe总线配置空间扫描来检测。

本发明还公开了一种固态硬盘热插拔管理方法，包括使用上述的一种固态硬盘热插拔管理系统，当接收到插入信号时，热插拔控制模块与操作系统通信，并报告新插入的SSD设备，操作系统自动启动设备识别并进行初始化过程；设备识别并进行初始化过程具体步骤如下：

步骤1，设备识别：

操作系统识别新设备的类型、制造商信息和设备ID，具体涉及到查询PCIe总线上的设备配置信息或其他总线的设备识别过程；

步骤2，驱动加载：

操作系统根据识别到的设备信息加载设备驱动程序，驱动程序负责与SSD设备通过PCIE进行通信，提供设备的操作接口；

步骤3，设备初始化：

驱动程序根据设备的特性执行一系列的初始化操作，一系列的初始化操作包括设备工作模式的设置、系统资源的分配和设备内部状态的初始化；

步骤4，安全卸载和设备拔出：

当接收到拔出信号时，热插拔控制模块与操作系统通信，通知操作系统执行设备的安全卸载操作，具体步骤如下：

步骤101，数据完整性检查：

热插拔控制模块查询操作系统和驱动程序，判读要拔出的SSD设备是否有相关尚未完成的I/O操作，I/O操作包括文件读取、写入或缓冲区刷新，如果存在，热插拔控制模块将等待I/O操作完成，在等待挂起操作完成的同时，热插拔控制模块会暂时挂起来自应用程序的新I/O请求，以防止新的数据操作与正在进行的挂起操作冲突；

步骤102，驱动卸载和资源回收：

操作系统自动卸载与设备相关的驱动程序，并释放设备占用的资源，包括内存、DMA通道和中断请求；

步骤103，设备卸载：

操作系统会通知设备执行卸载操作，设备根据卸载指令执行清理操作，停止与设备的任何活动通信，包括数据传输、缓存刷新，确保设备状态正确恢复；清理完成后会卸载与该设备相关的驱动程序，确保不再执行与该设备有关的任何操作同时释放设备所占用的任何资源，以确保其他设备或操作可以正常继续运行。

进一步地，当新的SSD设备插入时，对应的PCIe控制器会产生一个中断或事件，通知系统有新的设备加入，热插拔控制模块首先确认中断的来源和类型，以确定接下来的操作流程。

优选地，与操作系统通信时，热插拔控制模块通过内核的设备管理子系统，如Linux的udev，发送设备插入的通知信号。

进一步地，还包括设备枚举与识别步骤，操作系统对新插入的SSD执行枚举操作，读取SSD设备描述信息，具体为设备ID、制造商信息和设备类型，为后续的驱动加载和初始化提供信息。

其中，驱动加载时，根据识别到的设备ID和已注册的驱动信息，系统自动加载与新设备匹配的驱动程序，驱动程序包含了设备操作的所有逻辑。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供便捷的热插拔操作，在实际的使用中允许用户在计算机运行期间通过软件控制SSD的热插拔，无需关闭系统，从而提供了更便捷的操作方式，用户可以根据需要插入或拔出SSD，而不会影响计算机的正常运行。

本发明能够确保在热插拔过程中，数据得到妥善处理，防止数据丢失或文件系统损坏，系统通过与操作系统的交互，确保数据安全卸载和系统的稳定运行。

本发明减少对硬件的依赖，本发明主要依赖于软件控制，通过热插拔监测模块、热插拔控制模块和用户界面模块的协作，实现了基于软件的热插拔管理。使得本发明可以适用于更广泛的硬件配置，减少了对特定硬件支持的依赖。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明整体框架图。

图2为本发明流程图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

参看图1和图2，本实施例公开了一种固态硬盘热插拔管理系统，热插拔管理系统包括三个主要模块，分别是热插拔监测模块、热插拔控制模块和用户界面模块，通过热插拔监测模块、热插拔控制模块和用户界面模块的协作实现了在计算机运行期间SSD的热插拔。

为了便于本领域技术人员进一步理解本发明，下面结合热插拔监测模块、热插拔控制模块和用户界面模块对本发明做进一步阐述。

热插拔监测模块：

热插拔监测模块用于负责实时监测SSD的插入和拔出状态，热插拔监测模块注册到操作系统的中断系统中，以监听与SSD连接接口的中断事件。

当SSD插入或拔出时，硬件接口可以生成中断信号，操作系统会在接收到中断时通知热插拔监测模块。

在实际的使用中，可以通过PCIe总线链接状态变化、PERST（复位信号）管脚电平变化、CLKREQ（时钟请求信号）、探测信号或者PCIe总线配置空间扫描来检测SSD的插入和拔出事件。

通过PCIe总线链接状态变化来检测SSD的插入和拔出事件时，由于在PCIe总线中，每个设备（如SSD）都有一个独特的设备号或PCIe总线地址。当用户插入或拔出SSD时，PCIe插槽中的连接状态会发生变化。连接状态的变化通常通过PCIe接口上的信号线来检测这些信号；

PERST（复位信号）：当用户插入SSD时，PCIe插槽上的PERST信号可能会触发，用于对新设备进行复位和初始化，热插拔监测模块可以检测到PERST信号的变化；

CLKREQ（时钟请求信号）：一些PCIe设备在插入时会请求时钟信号，这也可以作为检测插入事件的信号；

探测信号： PCIe插槽上通常还有一些用于设备检测和初始化的探测信号，插入SSD时，这些信号也会发生变化。

PCIe总线配置空间扫描：热插拔监测模块通过扫描PCIe总线上的设备配置空间来检测新设备的插入。

PCIe设备的配置空间包含了设备的识别信息、能力信息以及PCIe功能的相关信息。插入新的SSD后，热插拔监测模块可以扫描PCIe总线上的设备配置空间以确定新设备的存在。一旦监测到SSD的插入或拔出，热插拔监测模块将生成对应的信号传递给热插拔控制模块。

热插拔控制模块：热插拔控制模块负责接收来自热插拔监测模块的信号，一旦监测到插入或拔出事件，它会生成相应的信号并传递给热插拔控制模块，热插拔控制模块与计算机操作系统进行通信，以协调热插拔操作，这个通信通常是使用操作系统提供的API或系统调用来实现。

当接收到插入信号时，热插拔控制模块会与操作系统通信，向其报告新插入的SSD设备。操作系统会启动设备识别和初始化过程，设备识别和初始化过程包括以下步骤：

设备识别：操作系统会识别新设备的类型、制造商信息和设备ID。通常涉及到查询PCIe总线上的设备配置信息或其他总线的设备识别过程。

驱动加载：操作系统会根据识别到的设备信息加载设备驱动程序；驱动程序负责与SSD设备通过PCIE进行通信，提供设备的操作接口。

设备初始化：驱动程序会根据设备的特性执行一系列的初始化操作，包括设备工作模式的设置、系统资源的分配和设备内部状态的初始化。

安全卸载和设备拔出：当接收到拔出信号时，热插拔控制模块会与操作系统通信，通知其要执行设备的安全卸载操作。具体包括以下步骤：

1.数据完整性检查：

控制模块会查询操作系统和驱动程序，判读要拔出的SSD设备是否有相关尚未完成的I/O操作。这些操作包括文件读取、写入或缓冲区刷新等，如果存在控制模块将等待这些操作完成。在等待挂起操作完成的同时，控制模块会暂时挂起来自应用程序的新I/O请求，以防止新的数据操作与正在进行的挂起操作冲突。

2.驱动卸载和资源回收：

操作系统会卸载与该设备相关的驱动程序，并释放设备占用的资源，如内存、DMA通道和中断请求等。

3.设备卸载：

操作系统会通知设备执行卸载操作，设备根据卸载指令执行清理操作，停止与设备的任何活动通信，包括数据传输、缓存刷新等，确保设备状态正确恢复。清理完成后会卸载与该设备相关的驱动程序，确保不再执行与该设备有关的任何操作同时释放设备所占用的任何资源，以确保其他设备或操作可以正常继续运行。

中断与事件处理：当新的SSD设备插入时，对应的PCIe控制器会产生一个中断或事件，通知系统有新的设备加入。热插拔控制模块首先确认中断的来源和类型，以确定接下来的操作流程。

与操作系统通信：热插拔控制模块通过内核的设备管理子系统，如Linux的udev，发送设备插入的通知。这通常涉及到一系列的总线扫描和设备查询操作。

设备枚举与识别：系统会对新插入的SSD执行枚举操作，读取其设备描述信息，如设备ID、制造商信息和设备能力，为后续的驱动加载和初始化提供信息。

驱动加载：根据识别到的设备ID和已注册的驱动信息，系统会自动加载与新设备匹配的驱动程序。驱动程序通常包含了设备操作的所有逻辑。

设备初始化：驱动程序会根据设备的特性和当前系统的配置，进行一系列的初始化操作。这包括设置设备工作模式、申请必要的系统资源、初始化内部数据结构等。

用户界面模块：用户界面模块用于提供用户与热插拔管理系统的交互界面。它可以是图形用户界面（GUI）或命令行界面（CLI），允许用户执行热插拔操作、查看和管理SSD的状态，并获取有关热插拔事件的反馈和通知。

本发明在具体使用时，其完整工作流程如下:

当SSD插入时，热插拔检测模块会检测到并通知热插拔控制模块，查询SSD状态，热插拔控制模块暂停所有正在进行的读写操作，并确保所有缓存的数据被正确写入SSD。

系统会自动加载并初始化与新插入的正确SSD相匹配的设备驱动程序，确保与新插入的SSD兼容，SSD准备就绪。用户界面模块提供有关新SSD的信息和状态，显示UI状态（已连接）并允许用户进行管理，SSD等待其他事件。

当SSD拔出时，首先通过监测PCIe总线上的链接状态和速度变化来检测是否发生SSD的拔出事件。当用户物理拔出SSD设备时，硬件控制器在PCIe总线上产生信号插拔检测模块能够感知这些电压或电流的变化，与设备的通信中断，热插拔检测模块能够感知这些电压或电流的变化信号，从而生成拔出信号。接下来热插拔控制模块会立即停止任何新的读写操作，暂停文件传输、应用程序访问和系统写入磁盘的操作。

热插拔控制模块检查当前是否有与该SSD相关的I/O操作正在执行或挂起，如果有，系统会等待这些操作完成，以防止数据丢失。热插拔控制模块等待所有操作完成发出卸载通知，一旦系统接收到卸载通知，设备驱动程序就会开始释放与该设备相关的资源，如内存、DMA通道、中断请求，操作系统会卸载与该设备相关的驱动程序，以保证设备与系统断开连接。最后，用户可以安全地从操作系统中物理拔出SSD设备，不会对计算机系统和数据造成不良影响。拔出时的具体流程为：查询SSD状态，判断是否有读写操作，如有则暂停读写操作并确认安全，显示UI状态（安全移除后）即可进行拔出操作。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种固态硬盘热插拔管理系统，其特征在于：包括相互通信的热插拔监测模块、热插拔控制模块和用户界面模块，

热插拔控制模块负责接收来自热插拔监测模块的信号，当监测到插入或拔出事件时，生成相应的插入信号或者拔出信号，并传递给热插拔控制模块，热插拔控制模块与计算机操作系统进行通信以协调热插拔操作，通信通使用计算机操作系统提供的API或系统调用来实现。

2.根据权利要求1所述的一种固态硬盘热插拔管理系统，其特征在于：SSD插入或拔出事件采用PCIe总线链接状态变化、PERST管脚电平变化、CLKREQ、探测信号或者PCIe总线配置空间扫描来检测。

3.一种固态硬盘热插拔管理方法，其特征在于：包括使用权利要求2中所述的一种固态硬盘热插拔管理系统，当接收到插入信号时，热插拔控制模块与操作系统通信，并报告新插入的SSD设备，操作系统自动启动设备识别并进行初始化过程；设备识别并进行初始化过程具体步骤如下：

步骤1，设备识别：

步骤2，驱动加载：

步骤3，设备初始化：

步骤4，安全卸载和设备拔出：

步骤101，数据完整性检查：

步骤102，驱动卸载和资源回收：

步骤103，设备卸载：

操作系统会通知设备执行卸载操作，设备根据卸载指令执行清理操作，停止与设备的任何活动通信，包括数据传输、缓存刷新，确保设备状态正确恢复；清理完成后会卸载与该设备相关的驱动程序，确保不再执行与该设备有关的任何操作同时释放设备所占用的任何资源，以确保其他设备或操作正常继续运行。

4.根据权利要求3所述的一种固态硬盘热插拔管理方法，其特征在于：当新的SSD设备插入时，对应的PCIe控制器会产生一个中断或事件，通知系统有新的设备加入，热插拔控制模块首先确认中断的来源和类型，以确定接下来的操作流程。

5.根据权利要求3所述的一种固态硬盘热插拔管理方法，其特征在于：与操作系统通信时，热插拔控制模块通过内核的设备管理子系统，如Linux的udev，发送设备插入的通知信号。

6.根据权利要求3所述的一种固态硬盘热插拔管理方法，其特征在于：还包括设备枚举与识别步骤，操作系统对新插入的SSD执行枚举操作，读取SSD设备描述信息，具体为设备ID、制造商信息和设备能力，为后续的驱动加载和初始化提供信息。

7.根据权利要求3所述的一种固态硬盘热插拔管理方法，其特征在于：驱动加载时，根据识别到的设备ID和已注册的驱动信息，系统自动加载与新设备匹配的驱动程序，驱动程序包含了设备操作的所有逻辑。