CN1308877C - 存储设备 - Google Patents

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Abstract

一种包括存储装置(8)的存储设备(2)，其特征在于包括：文件系统管理器装置(6)，用于管理存储在存储装置(8)上的数据结构，接口装置(4，5)，使主机(1)能够通过向文件系统管理器装置(6)发送远程过程调用(7)来访问存储装置(8)。应用于多媒体终端，特别是数字电视接收器或机顶盒。

Description

存储设备
技术领域
本发明涉及一种存储设备。其可以在诸如机顶盒或数字电视机的多媒体终端中使用，但并不局限于此。
背景技术
嵌入式终端市场的发展，特别是例如数字TV解码器的多媒体终端的发展已经使人们关注到：这样的多媒体终端需要较高的存储容量、低成本和更高集成度的质量和性能。
已经由个人计算机市场的需求促进了硬盘驱动技术，并且该技术得到了稳定地发展。
已知硬盘驱动存储系统的设计基于个人计算机的体系结构，并且通过计算机操作系统及其集成文件系统来完全控制对硬盘的访问。这种体系结构是众所周知的。
但是，尽管在嵌入式领域具有其通用性，但是，实际的个人计算机体系结构并不符合多媒体设备的需求和所希望的性能。多媒体设备对诸如语音或视频之类的数据进行管理，所述数据在访问上需要较高带宽和较高性能。
具体地，在设备或外围设备的通用体系结构中，必须由主机系统对每一个设备或外围设备进行控制。
发明内容
本发明提出了一种包括存储装置的存储设备，其特征在于包括
-文件系统管理器装置，用于管理存储在存储装置上的数据结构，
-位于主机侧和存储装置侧之间的接口装置，使主机能够通过向文件系统装置发送远程过程调用来访问存储装置。
本发明提出了一种文件系统，所述文件系统不是主机的一部分，可由诸如计算机等外部设备通过简单的命令来访问该文件系统，以便存储或读取数据。
由文件系统管理器装置来控制对存储装置的所有访问。由简单的命令调用可以访问所述的文件系统管理器装置，所述命令调用与诸如读或写给定文件的高级命令相对应。然后，由文件系统自身来管理对存储装置的访问，而无需主机的干预。
文件系统位于靠近存储装置的位置，因此存储装置与主机设备之间的接口不传送与其在已知系统中所传送的命令相同类型的命令。
存储设备与主机之间的接口不是在主机侧的智能(即文件管理)和另一侧接口上的从设备之间的隔离。将所述智能的一部分移到从属设备。
因此，所述存储设备是更为智能的设备，并且减少了主机设备的工作负荷，这是由于其不处理文件系统自身，而是只发送诸如过程调用之类的简单命令，所述过程调用向文件系统指示必须访问哪个文件。
系统设计人员仅对这些高级功能或过程调用的生成进行编程，然后，由主机通过接口设备将这些功能或过程调用传送到文件系统管理器装置，之后，由文件系统管理器装置管理对文件系统的访问。
在优选的实施例中，所述存储设备包括在存储装置和主机之间共享的高速缓冲存储器，根据文件系统管理器装置的控制对高速缓冲存储器进行加载。
所述存储装置包括存储介质、高速缓冲存储器以及用于控制高速缓冲存储器和存储装置的固件。
在已知系统中，由管理存储介质的固件来管理在所有存储装置中所包括的高速缓冲存储器。
但是，由于在已知系统中，文件系统位于主机内，当其不知道存储介质上的数据结构时，由于存储装置不知道由主机所进行的随后的访问，在高速缓冲存储器命中方面效率不高。在已知系统中的高速缓冲缓冲器的预取处理基于对由主机进行的最近的访问的统计。为了获得较好的高速缓冲存储器命中的比例(例如，在主机进行请求之前，在缓冲存储器中存在由主机所请求的数据)，则设计人员必须提供相对大量的高速缓冲存储器。
特别地，本发明人已经发现了对以下情况的特别关注：实现一种高速缓冲存储器的预取处理，该处理使管理存储介质的固件在给定地址执行高速缓冲存储器的预取。在读模式下，如果所请求的文件包括视频数据，则可以将视频数据存储在多个分区内。文件系统知道该组织或分段，因此，能够提供文件的持续部分所位于的下一个分区的地址。因此，可以减小高速缓冲存储器的尺寸，而不会减小高速缓冲存储器命中的可能性。
这种高速缓冲存储器预取是一种认知预取，与由存储设备固件而不是文件系统所控制的传统预取处理所使用的统计预取相对，并且基于最近的预取，而不是基于盘上数据的实际位置。
根据本发明的实施例，文件系统管理器装置在读模式下的访问期间控制高速缓冲存储器的预取。
根据本发明的实施例，构造文件系统管理器装置，从而将写高速缓冲存储器命令发送到高速缓冲存储器，以便在写模式访问期间，将要存储在存储介质上的数据首先存储在高速缓冲存储器中，并且当高速缓冲存储器填充达到预定的水平时，将数据从高速缓冲存储器传送到存储介质。
这样的写命令指示将数据存储在高速缓冲存储器中，而不将其立即存储到存储介质。这样的写命令是高效的，以便将大量数据从主机传送到存储介质。
利用高速缓冲存储器写入使能特征来设计已知的硬盘驱动器。但是，该功能不会驱动从高速缓冲存储器到硬盘驱动器的传送，当将数据发送到高速缓冲存储器时，之后，立即将其传送到硬盘驱动器，这在头运动(head move)方面成本较高。因此，由于驱动器的头必须在每一次传送中运动，这种已知的高速缓冲存储器的写入特征并不适于较大的突发传送。
利用本发明提出的写高速缓冲存储器命令，可以使用高速缓冲存储器将数据传送到高速缓冲存储器，并且当高速缓冲存储器的填充达到预定水平时，将数据传送到存储介质。因此，只有当将预定量的数据存储在高速缓冲存储器中时，盘头才会运动。
根据一个实施例，存储设备包括分段装置，从而根据对存储装置的同时访问的数目，将高速缓冲存储器分割为多个分段。
在向存储装置发送与多个不同文件相关的请求的情况下，为了提高高速缓冲存储器命中的机会，为了用不同的请求文件来加载高速缓冲存储器，将高速缓冲存储器共享为多个分段是有意义的。
根据一个实施例，文件系统装置的特点在于第一类型存储单元，用于存储音频和/或视频流，以及第二类型存储单元，用于存储非流数据，其中第一类型存储单元的尺寸是第二类型存储单元尺寸的倍数，所述文件系统装置还包括分配装置，用于分配第一类型的单元，用于流存储，或者将第一类型的单元划分为多个第二类型的单元，用于非流数据的存储。
文件系统用于在例如硬盘之类的存储介质上存储并组织数据，不排除其它类型的存储介质(例如，光盘，磁光盘，固态存储器…)。针对传统信息数据限制，对已知的文件系统进行优化：具体地，使用逻辑数据块(盘空间分配的基本单位)，这些块相当小(盘分区尺寸大小的数量级)，以便优化盘空间使用的效率。
对于数字视频流，这样的文件系统可能不会提供令人满意的性能。小尺寸的逻辑块可能会导致文件分裂。结果，盘头可能会频繁地从一个逻辑块移动到另一个，因而成比例地更少用于直接读操作。这导致整个可用带宽的减少。换句话说，该文件系统降低了硬盘本身的性能。
所述存储设备能够按照高效的方式存储信息数据(非流数据，例如异步文件：电子节目指南数据，程序代码，数据库…)、或音频/视频数据(流或同步数据)，避免了存储的碎片，而无需为异步数据定义固定区域、以及为音频/视频流数据定义固定区域。
根据一个实施例，接口装置将远程过程调用从主机存储应用程序传送到文件系统管理器装置。
通过接口来连接主机设备和存储设备，使其能够通信并交换数据，可以使用这两种设备之间的现有接口来发送远程过程调用。
根据一个实施例，接口装置是串行类型接口装置。
根据一个实施例，接口装置符合串行先进技术附加标准(SerialAdvanced Technology Attachment standard)。
作为一种高级协议，特别是与并行先进技术附件(PATA)接口相比，串行先进技术附加标准(SATA)接口产生了主要的优点。
根据一个实施例，接口装置通过将其封装在帧信息结构字段中，将远程过程调用从主机存储应用程序传送到文件系统管理器装置。
在优选实施例中，在SATA的环境中定义了帧信息结构。为了符合SATA标准，本发明人发现特别适合在传输层中封装API，因此，提出了使用FIS，以便发送远程过程调用。
本发明的另一个目的是多媒体终端，优选地是机顶盒，其特征在于所述多媒体存储设备包括根据本发明任一实施例的存储设备。
附图说明
借助于附图，通过将会示出的本发明非限定性实施例的描述，本发明的其它特征和优点将会出现，其中：
-图1是包括根据本发明实施例的主机设备和存储设备的系统的框图，
-图2是示出了文件系统和主机存储应用程序之间的接口的实施例的框图，
-图3表示了由文件系统进行的高速缓冲存储器预取的示意图。
具体实施方式
本发明基于符合在文件“serial ATA，revision 1.0，29 August 2001”中所定义的串行先进技术附加标准的接口装置。本发明还涉及视频数据在记录介质上的存储，并且在本实施例中，存储介质是硬盘，但可以是其它任意类型的设备。当然，本发明并不局限于视频数据类型或以上定义的环境。
图1示出了根据本发明实施例的主机设备1和存储设备2。
图1给出了主机设备和存储设备的功能描述。所述主机设备包括存储应用程序3、接口4、视频源9、以及视频输出10。
存储设备2包括接口5、多媒体文件系统6、远程过程调用7、以及硬盘组件8。所述硬盘组件8至少包括存储介质，所述存储介质在给出实施例中是硬盘、以及高速缓冲存储器。
对于嵌入式系统的设计人员，当接口使主机能够通过向文件系统装置发送远程过程调用来访问存储装置时，提供包括文件系统的存储设备是非常方便的。根据本实施例，通过传送过程调用，将存储设备作为通过简单接口所控制的自主实体来传送，因而减少了集成所需的工作。这使得设计人员能够得到硬盘驱动器的优势，而无需本领域中的专家。
优选地，所述接口包括应用编程接口(API)。
设置了存储设备2，作为单独和高度集成的存储设备，其中，嵌入了用于管理文件和硬盘组件控制器的所有软件。
硬盘组件8用于存储来自视频源9的视频数据(以及音频数据)或向存储应用程序3提供的、被称作非视频数据或信息数据的其他任何数据。视频源9可以是例如广播节目之类的任意类型的，并且可以是根据MPEG-2或MPEG-4标准编码的流。读取硬盘组件8还设计用于由存储应用程序3进行读取，以便向视频输出10提供数据。例如，视频输出10可以是针对能够接收或处理视频类型数据的电视显示器或其它任何装置的外部连接。
主机设备1能够在硬盘组件8上读取或存储数据(信息数据或视频数据)。主机设备1可以读取去往硬盘组件8上的视频输出的数据，或者将或多或少处理过的、来自视频源的数据从视频源8发送到硬盘组件8。
当主机设备1想要将数据存储在硬盘组件8上时，存储应用程序3经过主机设备1上的接口4和存储设备2的接口5，将命令调用发送到存储设备2的多媒体文件系统6上。
存储应用程序3接收来自视频源9的该视频流。所述存储应用程序3必须将视频流存储在硬盘组件8上。
接收4和接口5具有相同的类型，以便实现主机设备1和存储设备2之间的通信。如上所述，在本实施例中，这些接口符合串行先进技术附件(SATA)标准。
SATA协议定义了三层：物理层、链路层和传输层。
SATA协议为消费市场提供了相对较高的集成度和足够高速的接口。诸如并行先进技术附件(PATA)之类的其它接口类型也能够提供高速接口，但提供了比SATA接口更少的集成设施。对SATA接口进行设计以使其与PATA接口兼容。
在本发明的另一个实施例中，由于SATA是软件透明的，并且SATA驱动器与PATA兼容，在存储设备上实现多种类型的接口，优选地同时包括PATA和SATA。
链路层封装从传输层接收到的帧，并发送该封装后的帧。
链路层还根据来自传输层的控制信号发送原语，并接收来自物理层的原语，物理层将控制信号转换到传输层。链路层不需要认知帧的内容。
传输层构造用于传输的帧信息结构(FIS)，并分解所接收到的FIS。主机和存储设备传输层的不同在于：FIS内容的源不同。
在给出的实施例中，主机设备1和存储设备2在物理上是独立的，即，这二者可以是分离的。
根据本实施例的变体，例如，可以将存储设备2和主机设备1安装于同一印刷电路板上，仅仅通过连接器在物理上分离。
接口4和接口5是能够将来自主机设备1的远程过程调用传送到存储设备2的接口装置。
接口4包括API。API实现了主机设备1和存储设备2之间的远程过程调用7。
发明人已经发现本发明特别适于在传输层中封装API。
将API定义为新的FIS类别。该FIS提供了API过程所调用的结构描述。
存储设备1上的接口5对所接收到的FIS进行分解。
即，接口5从API FIS中提取API命令调用，以便将API命令调用传送到多媒体文件系统6。
多媒体文件系统6特别适于视频数据和信息数据的公共存储。
这种专用于将视频数据和信息数据存储在相同记录介质上的文件系统的特征在于：第一类型存储单元，用于存储音频和/或视频流；第二类型存储单元，用于存储非流数据，其中，第一类型存储单元的尺寸是第二类型存储单元尺寸的倍数。分配第一类型的单元，用于流存储，或将第一类型的单元划分为多个第二类型的单元，用于非流数据的存储。
在该文件系统的一个实施例中，只存在针对两个类型的存储单元和两种类型的文件的一个目录树。
存储设备2能够按照有效的方式来存储信息数据(非流数据)或音频/视频数据(流数据)，避免了硬盘的碎片，而无需为信息数据定义固定区域、以及为音频/视频数据定义固定区域。
有利的是，根据第二类型的所有这些单元的可用性，并且根据要存储数据的类型，分割为多个第二类型单元的第一类型的单元不能够再被分割为多个第二类型的单元。
带宽是数据突发传送的尺寸的函数，将越少的时间用于搜索硬盘驱动器分区，则带宽越大。因此，通过根据要存储数据的类型来管理硬盘组件8，多媒体文件系统6限制了分区搜索，因此减少了访问时间并增加了持续不变的比特率。
因而，可以根据要存储的数据类型来构造存储设备，并且可以改善硬盘驱动器占用。当只有大型文件要存储时，这可以改善了盘的碎片。将这些文件存储在大块中，而当存在大量的小型文件要存储时，只要需要，就按照小尺寸的块对大尺寸块进行分割。
使用诸如多媒体文件系统6的文件系统，由于减少了文件碎片，能够改善对数据的访问时间。
优选地，至少一个第一数据结构指示了：至少针对每一个第一类型单元，该单元是否是空闲(fee)的，以及是否将该单元分割为多个第二类型存储单元。
通过API控制多媒体文件系统6，API主要实现主机设备1和存储设备2之间的远程过程调用7的传送。稍后在图2中示出一些远程过程调用7。
多媒体文件系统6通过固件模块7访问硬盘驱动器。固件模块7管理对硬盘和高速缓冲存储器的低级别访问。
固件模块7、多媒体文件系统6和硬盘组件8非常靠近，并且能够交互作用。
硬盘组件8包括标准硬盘驱动器、以及高速缓冲存储器(在图1中未单独示出)。使用高速缓冲存储器是一种方式，以便主要在对不同文件的访问期间，平衡持续不变的带宽的硬盘驱动器的缺乏。
稍后，在图3中描述由多媒体文件系统6对高速缓冲存储器的使用。
图2示出了多媒体文件系统6和主机存储应用程序3之间交换的过程调用的实施例
还将远程过程调用7定义为API，并且将其嵌入SATA协议的帧信息结构中。
其中定义了不同的过程，例如：
Inttmmfs-creat：创建文件，
Inttmmfs-open：打开文件，
Inttmmfs-close：关闭文件，
Inttmmfs-read：读文件，
Inttmmfs-write：写文件。
根据本实施例，特定的参数与这些函数：文件大小、文件想要存储的地址或数据类型。
多媒体文件系统6接收这些过程调用，并相应地在硬盘组件8上执行操作。无需主机的控制，由文件系统的直接控制所进行的远程过程调用7的执行可以提高整个系统的性能，由于多媒体文件系统6比主机设备1更好地知道硬盘的结构。
图3示出了根据本实施例，由文件系统所使用的高速缓冲存储器预取的示意图。
多媒体文件系统6知道盘分区。根据由多媒体文件系统6所定义的策略，将数据存储在硬盘上。即，如上所述，根据要存储的数据类型，动态地划分硬盘驱动器8。
因此，当主机设备1请求针对视频输出10的一些数据时，由于其知道数据结构，多媒体文件系统知道其必须从硬盘输出的下一个数据的地址。然后，用这些数据来加载高速缓冲存储器，由于在高速缓冲存储器中所存储的数据是要发送到主机设备1的下一个数据。多媒体文件系统6自身控制数据预取，并且尽可能存储将较大块的数据存储在高速缓冲存储器中。在本发明中，这种高速缓冲存储器预取是一种认知预取，与由存储设备的远程过程调用7而不是由文件系统所控制的已知统计预取处理相对，并且基于最近的访问，而不是基于针对盘上的数据所作的请求，这些请求包含数据在盘上的位置。
在读访问期间，当主机设备1请求存储在硬盘驱动器上的文件时，多媒体文件系统6知道主机设备1所请求的文件存储在分区A、C、D、E和F上。因此，多媒体文件系统6将这些块一个接着一个加载到高速缓冲存储器中，因此，没有将无用的数据加载到高速缓冲存储器中。相反，传统的预取将在由主机所请求的分区之前的分区内容加载到高速缓冲存储器中，因此，还将分区B加载到高速缓冲存储器中。
在大多数情况下，这样的高速缓冲存储器管理能够减少访问时间，并提供对硬盘驱动器上数据的实时访问，因此在视频存储的情况下非常有意义。
根据本实施例，作为环形缓冲器来管理高速缓冲存储器，但是也可以使用其它的存储器管理方法。
在多次访问期间，根据对存储设备的同时访问的数目，来对高速缓冲存储器进行分段。
在对硬盘驱动器的写访问期间，文件系统管理器装置6将写高速缓冲存储器命令发送到远程过程调用7，远程过程调用7将命令发送到高速缓冲存储器，因此，首先将要存储的数据发送到高速缓冲存储器中，并且当达到突发尺寸(例如128K字节)时，或者当到达预定水平的填充时，将其写在硬盘驱动器上。将写高速缓冲存储器命令定义为新命令，以控制硬盘组件高速缓冲存储器，因而这非常方便，并且避免了如通常的情况那样在存储装置的输入处具有高容量的缓冲装置。需要小缓冲器(512字节)来适配输入流和高速缓冲存储器写入之间的比特率。
对于读和写访问，将硬盘驱动器的头预先定位在适当的柱面(cylinder)上，以预备下一个传送，从而减少访问时间。
由主机通过多媒体文件系统6的控制来使用高速缓冲存储器，主机设备不需要诸如动态RAM之类的用于在传统体系结构中缓冲视频数据的额外存储器。

Claims (11)

1.一种包括存储装置(8)的存储设备(2)，其特征在于所述存储设备(2)包括：
-文件系统管理器装置(6)，包括自给自足的文件系统装置，用于管理存储在存储装置(8)上的数据结构，
-位于主机侧和存储装置侧之间的接口装置(4，5)，使主机(1)能够通过向文件系统管理器装置(6)发送远程过程调用(7)来访问存储装置(8)。
2.根据权利要求1所述的存储设备，其特征在于所述存储设备包括在存储装置(8)和主机(1)之间共享的高速缓冲存储器，根据文件系统管理器装置(6)的控制，对高速缓冲存储器进行加载。
3.根据权利要求2所述的存储设备，其特征在于所述文件系统管理器装置(6)在读模式下的访问期间，控制高速缓冲存储器的预取。
4.根据权利要求2所述的存储设备，其特征在于：对所述文件系统管理器装置(6)进行构造，从而将写高速缓冲存储器命令发送到高速缓冲存储器，以便在写模式下的访问期间，将要存储在存储装置(8)上的数据首先存储在高速缓冲存储器中，并且当高速缓冲存储器填充已经达到预定水平时，将所述数据从高速缓冲存储器传送到存储介质。
5.根据权利要求1到4之一所述的存储设备，其特征在于包括分段装置，以便根据对存储装置的同时访问的数目，将高速缓冲存储器分割为多个分段。
6.根据权利要求1所述的存储设备，其特征在于：所述文件系统管理器装置(6)的特征在于：第一类型存储单元，用于存储音频和/或视频流；以及第二类型存储单元，用于存储非流数据，其中，第一类型存储单元的尺寸是第二类型存储单元的尺寸的倍数，并且所述文件系统管理器装置(6)还包括分配装置，用于分配第一类型的单元，用于流存储，或者将第一类型的单元分割为多个第二类型的单元，用于非流数据的存储。
7.根据权利要求1所述的存储设备，其特征在于接口装置(4，5)将远程过程调用(7)从主机存储应用程序(3)传送到文件系统管理器装置(6)。
8.根据权利要求1所述的存储设备，其特征在于：所述接口装置(4，5)是串行类型的接口装置。
9.根据权利要求8所述的存储设备，其特征在于：所述接口装置(4，5)符合串行先进技术附加标准。
10.根据权利要求9所述的存储设备，其特征在于所述接口装置(4，5)通过将其封装在帧信息结构字段中，将远程过程调用(7)从主机存储应用程序(3)传送到文件系统管理器装置(6)。
11.一种多媒体终端，其特征在于所述多媒体终端包括根据权利要求1到10之一所述的存储设备(2)。
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