DE4121974A1 - Festplattencontroller - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festplattencontroller zur Ver­ ringerung der Zugriffszeit zu einem Festplattenspeicher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In Computersystemen (Großcomputer, mittlere Computer, Perso­ nalcomputer) werden als Massespeicher Festplatten einge­ setzt. Die CPU (central processor unit) des Computers kommu­ niziert mit der Festplatte über einen BUS, über den abzu­ speichernde Daten von der CPU zur Festplatte oder ausgelese­ ne Daten von der Festplatte zur CPU fließen. Aufgrund ihrer mechanischen Konfiguration, der Drehzahl, der Platte, der Masse des Lese-/Schreibkopfes, der Positioniergeschwindig­ keit des Kopfes usw. benötigt das Speichern bzw. Auslesen von Daten eine gewisse Zeitspanne, auch Zugriffszeit ge­ nannt. Die physikalisch bedingte, minimale Zugriffszeit kann nicht unterschritten werden.

Da während eines Programmablaufs mehrfach Daten auf der Festplatte abgelegt bzw. von dieser abgerufen werden, ist die Programmlaufzeit wesentlich durch die Zugriffszeit auf die Festplatte mitbestimmt. Auch schnellste CPU Prozessoren können die Programmlaufzeit nicht wesentlich verkürzen, weil die mechanisch bedingten Zugriffszeiten die mögliche schnel­ le Verarbeitung der angeforderten Daten behindern.

Bei Großcomputern wurde bereits vorgeschlagen, der Festplat­ te einen Festplattencontroller vorzuschalten, der einen Puf­ ferspeicher (Cache-Memory) enthält. Nach einem festzulegen­ den Cache-Algorithmus werden während eines Programmablaufs häufig benutzte Daten erkannt und in dem Cache-Speicher (RAM) abgespeichert. Da bei einem RAM jedes Speicherelement durch ein entsprechendes Adreßwort unmittelbar gelesen bzw. geschrieben werden kann (keine mechanische Trägheit), sind die Zugriffszeiten auf im RAM abgespeicherte Daten um ein Vielfaches geringer, als wenn sie von der Platte ausgelesen werden. Die während eines Programmablaufs häufig benötigten Daten können daher mit deutlich kleineren Zugriffszeiten zur Verfügung gestellt werden, wodurch die Programmlaufzeit ins­ gesamt wesentlich verkürzt werden kann. Einerseits wäre es daher wünschenswert, den Cache-Speicher des Festplattencon­ trollers möglichst groß zu machen, um möglichst viele wäh­ rend eines Programmablaufs benötigte Daten darin abzuspei­ chern; andererseits steigt die benötigte Rechenleistung zur Verwaltung und Steuerung des Cache-Speichers mit dessen Größe an, wodurch sich die Zugriffszeiten wieder verlängern und den Vorteil des Cache-Speichers zunichte machen.

Auf dem Gebiet der Personalcomputer (PC) ist das Spektrum der Leistungsfähigkeit sehr breit. Besonders wird die Mög­ lichkeit geschätzt, den PC bei wachsenden Anforderungen ent­ sprechend nachzurüsten, so zum Beispiel eine Festplatte mit größerer Speicherkapazität anzuschließen oder gar mehrere Festplatten vorzusehen, um alle für einen Programmablauf benötigten Daten zur Verfügung stellen zu können. Waren für den PC-Benutzer bei kleiner oder mittlerer Datenmenge die Programmlaufzeiten des Systems noch akzeptabel, so sind die bei großen Datenmengen aufgrund der häufigen Zugriffe auf die Festplatte anwachsenden Programmlaufzeiten nicht mehr hinnehmbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen modul­ artig aufgebauten Festplattencontroller für PCs anzugeben, der mit wachsenden Anforderungen im Hinblick auf geringe Zu­ griffszeiten, Erhöhung der Datenübertragungsrate und Erhö­ hung der Datensicherheit bzw. Verfügbarkeit ausgebaut werden kann.

Die Aufgabe wird nach den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Der RAM-Cache-Speicher des Festplattencontrollers wird durch den auf einem nachträglich steckbaren Träger angeordneten RAM erweitert, wobei durch die Parallelschaltung der Prozessoren die Rechenleistung erhöht wird. Auf diese Weise wird trotz Vergrößerung des Verwaltungs- und Rechenaufwandes aufgrund der größeren Kapazität des RAM-Cache-Speichers die Datenzu­ griffszeit gering gehalten.

Die Parallelschaltung der Steuerprozessoren kann über die BUS-Leitungen des Zentral-BUS erfolgen. Vorteilhaft ist jedoch der die Steuerprozessoren koppelnde Kommunikations- und Datenkanal als von den anderen BUS-Verbindungen des Festplattencontrollers getrennter Kanal ausgebildet.

Jeder Steuerprozessor hat mehrere, vorzugsweise vier Kommu­ nikations- und Datenkanäle, so daß einem oder mehreren Fest­ plattencontrollern (den sogenannten Mastern) bis zu vier Festplattencontroller parallel geschaltet werden können.

Weisen alle Festplattencontroller mindestens einen Ein-/Aus­ gabekanal zum Anschluß einer Festplatte auf, kann ein Plat­ tenfeld mit großer Speicherkapazität und geringer Zugriffs­ zeit, Erhöhung der Datenübertragungsrate und Erhöhung der Datensicherheit bzw. Verfügbarkeit ausgebildet werden.

Sind jedem RAM-Cache-Speicher eines Festplattencontrollers zwei parallele Ein-/Ausgabekanäle zum Anschluß von Festplat­ ten zugeordnet, können diese an einen Festplattencontroller angeschlossenen Festplatten auch als gespiegelte Platten gefahren werden, wobei sich einerseits eine Verdoppelung der möglichen Ein-/Ausgabezugriffe pro Sekunde ergibt und ande­ rerseits eine hohe Redundanz, da bei dem Ausfall des einen Plattenstapels die identischen Daten auf dem anderen Plat­ tenstapel zur Verfügung stehen. Die Betriebssicherheit wird mit einer derartigen Anordnung erhöht. Ausführbar sind auch Redundanzschemata mit einer Redundanz kleiner 100%.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der ein nachfolgend im einzelnen beschriebenes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Festplattencontrollers,

Fig. 2 in schematischer Darstellung zwei untereinander verbundene, an einem gemeinsamen BUS ange­ schlossene Festplattencontroller gemäß Fig. 1,

Fig. 3 in schematischer Darstellung den hardwaremäßigen Aufbau des Festplattencontrollers gemäß Fig. 1,

Fig. 4a bis Fig. 4c Anschlußschemata der erfindungsgemäßen Fest­ plattencontroller.

Der Festplattencontroller 1 gemäß Fig. 1 ist als zusammen­ hängende steckbare Baueinheit ausgeführt, die einerseits über eine Steckleiste 2 (Fig. 3) an einen Host-BUS 3, vorzugs­ weise einen EISA-(Enhanced Industry Standard)BUS (32 Bit Erweiterungsbus) anschließbar ist, und die andererseits über zwei Ein-/Ausgabekanäle A und B mit Festplatten A1 bis A7 bzw. B1 bis B7 verbunden ist.

Die beiden Ein-/Ausgabekanäle A und B sind voneinander voll­ kommen unabhängig; jeder Kanal ist durch einen 32 Bit-RISC SCSI (Small Computer System Interface) Prozessor gebildet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird als Prozessor der NCR 53C700 verwendet. An jeden SCSI Ein-/Ausgabekanal A bzw. B können bis zu sieben Festplatten A1 bis A7 bzw. B1 bis B7 angeschlossen werden. Als Festplatten können alle SCSI-Lauf­ werke angeschlossen werden, die die SCSI-1 und SCSI-2 Richt­ linien erfüllen. Die Datentübertragungsrate der SCSI-Kanäle A und B beträgt asynchron 5 MByte/sec und synchron 6 MByte/sec.

Der Festplattencontroller 1 weist einen RAM-Cache-Speicher 4 auf, der beginnend bei 4 MB bis zu 32 MB ausgebaut werden kann. Dieser RAM-Cache-Speicher 4 wird durch einen RAM-Con­ troller 5 verwaltet und gesteuert.

Über einen DMA (direct memory access) 6 ist ein unmittelba­ rer Datenzugriff auf den RAM-Cache-Speicher 4 möglich, ohne daß der Steuerprozessor 7 des Festplattencontrollers 1 be­ nötigt wird. Während des direkten Datenzugriffs über den DMA 6 wird der Prozessor 7 gesperrt.

Als Steuerprozessor 7 ist ein 32 Bit CPU vorgesehen, vor­ zugsweise ein Transputer, der als Einzelprozessor eine Re­ chenleistung von 10 MIPS aufweist. Der Prozessor 7 arbeitet mit einem im Festplattencontroller 1 installierten Betriebs­ system 8 und kommuniziert mit der Host-CPU über einen BUS-Controller 9 und den angeschlossenen BUS. Der Festplat­ tencontroller ist für unterschiedliche BUS-Systeme kompati­ bel, insbesondere für einen ElSA-BUS mit einer Transferrate von bis zu 33 MByte/sec. Die Gesamtstruktur des Festplatten­ controllers 1 ist in 32 Bit Architektur aufgebaut, um höch­ ste Leistungsfähigkeit zu garantieren. Durch diese Architek­ tur kann insbesondere der Transputer 7 seine volle Lei­ stungsfähigkeit entfalten.

Der 32 Bit Prozessor 7 weist vier Kommunikations- und Daten­ kanäle I bis IV auf, über die ein Festplattencontroller (Master) 1 mit weiteren, nachrüstbaren Festplattencontrol­ lern gleicher oder ähnlicher Konfiguration verbunden werden kann. Dies ermöglicht vorteilhaft den Anschluß weiterer Festplatten, wenn der nachgerüstete Festplattencontroller auch Ein-/Ausgabekanäle A und B zum Anschluß von Festplatten aufweist.

Die beiden SCSI-Ein-/Ausgabekanäle A und B des Festplatten­ controllers 1 können in einer möglichen Betriebsweise ge­ spiegelt betrieben werden (MIRRORING), wobei auf den Plat­ tenlaufwerken A1 bis A7 dieselben Daten abgespeichert sind wie auf den Laufwerken B1 bis B7. Einerseits wird so eine hohe Datensicherheit bei 100%iger Redundanz erzielt, da beim Ausfall des einen Kanals am anderen Kanal die ausge­ fallenen Daten vollständig zur Verfügung stehen; anderer­ seits kann die mittlere Zugriffszeit auf die Daten minimiert werden, da an einem der Kanäle A oder B die Daten meist frü­ her anliegen werden als an dem anderen Kanal.

Die Plattenlaufwerke A1 bis A7 und B1 bis B7 eines Festplat­ tencontrollers können aber auch als Plattenfeld betrieben werden, wodurch eine hohe Datenmenge abspeicherbar ist.

Neben den beschriebenen Betriebsmöglichkeiten der Platten­ laufwerke eines Festplattencontrollers 1 ist auch die Paral­ lelschaltung mehrerer, vorzugsweise gleich aufgebauter Fest­ plattencontroller möglich, wodurch eine Leistungssteigerung erzielbar ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, werden die Trans­ puter 7 der Festplattencontroller 1a und 1b über einen der als vorzugsweise serielle Hochgeschwindigkeitskanäle (links) ausgebildeten Daten- und Kommunikationskanal I bis IV mit­ einander gekoppelt, so daß durch die Parallelschaltung der Transputer der beiden Festplattencontroller 1a und 1b die Rechenleistung insgesamt gesteigert wird. An einen ersten Festplattencontroller (Master) können direkt bis zu vier weitere Festplattencontroller über die Kommunikations- und Datenkanäle I bis IV angeschlossen werden. Werden mehrere Master-Festplattencontroller verwendet, kann die Anzahl der anschließbaren weiteren Festplattencontroller erhöht werden, theoretisch bis eine unendliche Anzahl.

Anschlußschemata möglicher Verbindungen von Festplattencon­ trollern sind in den Fig. 4a bis 4c dargestellt. Die nie­ drigste Erweiterungsstufe eines Master-Festplattencontrol­ lers M zeigt Fig. 4a, in der nur ein weiterer Festplatten­ controller S über einen Kommunikations- und Datenkanal I an­ geschlossen ist. In Fig. 4b sind an einen Master-Festplat­ tencontroller M über dessen Kanäle I bis IV vier weitere Festplattencontroller S₁ bis S₄ angeschlossen. Werden die weiteren Festplattencontroller S₁, S₂, . . . S_n über ihre Ka­ näle in einer Reihe zusammengeschaltet, wie es Fig. 4c zeigt, können bis zu n weitere Festplattencontroller an einen Master-Festplattencontroller M₁ angeschlossen werden. Um bei einem Ausfall des Master-Festplattencontrollers M₁ den Betrieb aufrechterhalten zu können, kann die Reihe durch Anschluß eines weiteren Masters M₂ an den letzten Festplat­ tencontroller S_n abgeschlossen werden. Falls erforderlich, können an die freien Kanäle der zusammengeschalteten Fest­ plattencontroller zusätzliche Master-Festplattencontroller oder weitere Festplattencontroller angeschlossen werden. Auf diese Weise ist in unterschiedlichster Zusammenstellung auch der Aufbau eines Feldes an Festplattencontrollern möglich.

Die Baueinheiten der Festplattencontroller 1a und 1b (Fig. 2) sind vorzugsweise über die Steckleisten 2 an den gemeinsamen Host-BUS angeschlossen. An die SCSI-Ein-/Ausga­ bekanäle I-a und I-b der ersten Festplatte 1a sind die Plat­ tenlaufwerke I-A1 bis I-A7 und I-B1 bis I-B7 angeschlossen. An die SCSI-Ein-/Ausgabekanäle II-a und II-b der zweiten Festplatte 1b sind die Plattenlaufwerke II-A1 bis II-A7 bzw. II-B1 bis II-B7 angeschlossen. Über den Kommunikations- und Datenkanal I sind die Transputer 7 der einzelnen Festplat­ tencontroller 1a und 1b miteinander parallel gekoppelt, wo­ durch eine erhöhte Rechenleistung der Verwaltung der Cache-Speicher 4a und 4b sowie der über die Ein- und Ausga­ bekanäle auf den Plattenlaufwerken abzulegenden bzw. auszu­ lesenden Daten bei geringsten Zugriffszeiten, Erhöhung der Datenübertragungsrate und Erhöhung der Datensicherheit bzw. Verfügbarkeit gewährleistet ist.

In Fig. 3 ist schematisch der hardwaremäßige Aufbau eines Festplattencontrollers 1 dargestellt. Eine Grundplatte 10 weist die mechanischen Anschlüsse 11 der Kommunikations- und Datenkanäle I bis IV sowie die Anschlußleiste 2 für den BUS 3 zum Host-Rechner auf. Auf der Grundplatte ist ferner zu­ mindest der Transputer 7 installiert.

Der Cache-Speicher 4 ist auf einer eigenen RAM-Platte 12 an­ geordnet, die auf der Grundplatte 10 festlegbar ist. Auf der RAM-Platte 12 ist ferner der RAM-Controller 5 angeordnet.

Mit der Grundplatte 10 ist ferner ein Ein-/Ausgabeboard 13 mit Schnittstelle zum Anschluß der Festplattenlaufwerke ver­ bunden. Durch Austausch dieses Ein-/Ausgabeboards 13 kann der Festplattencontroller in einfacher Weise auch eine ande­ re Schnittstelle zur Verfügung stellen, zum Beispiel eine ESDI-(Enhanced Small Device Interface)Schnittstelle.

Der modulare Aufbau hat auch den Vorteil, daß bei einem installierten Festplattencontroller durch Parallelschalten einer weiteren Grundplatte 10 mit einer darauf befestigten RAM-Platte 12 eine Leistungssteigerung des Cache-Speichers möglich wird, ohne daß ein Ein-/Ausgabeboard 13 benötigt wird.

Claims (9)

1. Festplattencontroller zur Verringerung der Zugriffszeit eines Festplattenspeichers, mit einem RAM-Cache-Speicher (4) und mindestens einem Ein-/Ausgabekanal (A, B) zum Anschluß einer Festplatte (A1 bis A7) und einem BUS-An­ schluß (2) zur Verbindung mit einem Rechner, gekennzeichnet durch einen im Festplattencontroller (1) angeordneten, vom Rechner getrennt ausgeführten Steuer­ prozessor (7) mit einem eigenständigen Betriebssystem (8), wobei der Steuerprozessor (7) über einen Kommunika­ tions- und Datenkanal (I bis IV) mit einem auf einem anderen steckbaren Träger angeordneten weiteren Steuerprozessor (7) eines weiteren RAM-Cache-Speichers (4) verbindbar ist.

2. Festplattencontroller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommunikations- und Da­ tenkanal (I bis IV) des Steuerprozessors (7) als von den anderen BUS-Verbindungen des Festplattencontrollers (1) getrennter Kanal ausgebildet ist.

3. Festplattencontroller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steuerprozessor (7) mehrere, vorzugsweise vier Kommunikations-/Datenkanäle (I bis IV) aufweist.

4. Festplattencontroller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der steckbare Träger als identischer Festplattencontroller mit mindestens einem Ein-/Ausgabekanal (A, B) zum Anschluß einer Festplatte ausgebildet ist.

5. Festplattencontroller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein-/Ausgabekanal (A, B) als SCSI-Schnittstelle durch einen intelligenten 32 Bit Prozessor ausgebildet ist.

6. Festplattencontroller nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem RAM-Cache-Speicher (4) mehrere, vorzugsweise zwei parallel liegende Ein-/ Ausgabekanäle (A, B) zum Anschluß von Festplatten vorge­ sehen sind.

7. Festplattencontroller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ein-/Ausgabekanä­ le (A, B) des Festplattencontrollers redundant, vorzugs­ weise gespiegelt betrieben werden.

8. Festplattencontroller nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Festplattenlaufwerke (I-A1 bis I-A7; II-B1 bis II-B7) miteinander verbundener Festplattencontroller ein Plattenfeld bilden.

9. Festplattencontroller nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Festplattencontroller (1) modulartig aufgebaut ist.