TWI658360B - 儲存系統及儲存方法 - Google Patents

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Abstract

一種儲存系統包含隨機存取記憶體、硬碟、非揮發性記憶體及處理電路，並且硬碟另包含媒體快取。當處理電路欲將隨機存取記憶體的資料儲存至硬碟時，資料會先儲存至非揮發性記憶體，再由非揮發性記憶體不經過硬碟的媒體快取，而將資料直接寫入硬碟的連續的磁區。

Description

儲存系統及儲存方法
本案是有關於一種儲存系統，且特別是有關於一種應用非揮發性記憶體之儲存系統。
隨著使用者對於資料儲存量的需求持續增加，儲存裝置製造商採用了許多技術來提升儲存裝置的容量。例如，硬碟製造商採用垂直磁紀錄(Perpendicular Magnetic Recording)、疊瓦式磁紀錄(Shingled Magnetic Recording)及氦氣填充等技術，來提升硬碟的容量。
除了擴充硬碟的容量，有些硬碟還可以依據資料的類型而進行不同的寫入行為，以提升硬碟的存取效能。例如，當資料為連續寫入時，亦即資料將儲存於硬碟的數個連續的磁區(sector)時，硬碟會將資料直接寫入至這些連續的磁區；當資料為隨機寫入時，亦即資料將不儲存於硬碟的數個連續的磁區時，則資料會先寫入硬碟的快取區域(cache)，，之後才將資料從快取區域寫入對應的磁區， 以提升硬碟隨機寫入的效能。例如：採用疊瓦式磁記錄的硬碟會採用媒體快取(media cache)來加速隨機寫入的效能。
採用上述機制的硬碟，雖然能夠增進隨機寫入的效能，卻也需要在系統或硬碟閒置時增加更多的背景活動，來將隨機寫入的資料由硬碟的快取區域寫入對應的磁區。因此，不但背景活動的數量及耗電量可能大幅提升，硬碟在背景活動時也可能受到震動或撞擊而提高損毀的風險
此外，雖然某些製造商嘗試著使用隨機存取記憶體或快閃記憶體(flash memory)等方式額外作為硬碟的快取，以增進存取效能。但此種方式仍無法避免資料隨機寫入的情況，附隨而來的背景活動的耗電以及毀損風險仍然無法降低。
因此，如何提供一種降低因硬碟的背景活動所帶來的缺點，以提升硬碟的效能及可靠性，並且能降低硬碟的耗電量，已成為須解決的問題之一。
根據本案所提供的一種儲存系統的實施例，包含一隨機存取記憶體、一硬碟、一非揮發性記憶體及一處理電路，並且該硬碟包含一媒體快取。當處理電路欲將該 隨機存取記憶體的複數個資料儲存至該硬碟時，該複數個資料將先儲存至該非揮發性記憶體，再由該非揮發性記憶體不經過該硬碟的該媒體快取，而將該複數個資料直接寫入該硬碟的複數個連續的磁區。
根據本案的另一實施例，在上述之儲存系統中，該複數個連續的磁區的數量是一區塊的磁區的數量的整數倍，並且該區塊具有一預設的整數個磁區。
根據本案的另一實施例，在上述之儲存系統中，該複數個資料的資料量總和小於或等於該區塊的磁區的數量的整數倍的資料量總和。
根據本案的另一實施例，在上述之儲存系統中，當該處理電路欲由該硬碟將該複數個資料的至少一部份讀取至該隨機存取記憶體時，該硬碟會將該複數個資料的至少一部份先儲存至該媒體快取，再由該媒體快取將該複數個資料的至少一部份傳送至該隨機存取記憶體。
根據本案的另一實施例，在上述之儲存系統中，該媒體快取將該複數個資料的至少一部份傳送至該非揮發性記憶體，再由該非揮發性記憶體將該複數個資料的至少一部份傳送至該隨機存取記憶體。
根據本案的另一實施例，在上述之儲存系統中，該非揮發性記憶體的一存取速度比該隨機存取記憶體慢，並且比該硬碟快。
綜上，本案的儲存系統能夠避免隨機寫入機制的背景活動，不但能夠加速硬碟的存取效能，也能降低硬碟的功率消耗，以及降低背景活動時的硬碟損毀風險。
100‧‧‧儲存系統
110‧‧‧處理器
120‧‧‧隨機存取記憶體
130‧‧‧硬碟
140‧‧‧非揮發性記憶體
150‧‧‧匯流排
200‧‧‧儲存方法
210、220、230‧‧‧步驟
為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖示之說明如下：第1圖為根據本案一實施例所繪示的一種儲存系統的功能方塊圖；第2圖為第1圖的儲存系統所執行的一種儲存方法的流程圖。
第1圖為根據本案一實施例所繪示的儲存系統100的功能方塊圖，儲存系統100包含處理電路110、隨機存取記憶體120、硬碟130、非揮發性記憶體140和匯流排150。為使圖式簡潔而易於說明，儲存系統100的其他元件並未繪示於圖1中。
在本實施例中，處理電路110可以採用由微控制單元(microcontroller)、微處理器(microprocessor)、數位訊號處理器(digital signal processor)、特殊應用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)或邏輯電路等方式實施。處理電路110設置用以執行作業系統或其他使用者所設定的程式。
在本實施例中，隨機存取記憶體120(random access memory，RAM)是揮發性(volatile)且存取速度較快的記憶體，可以採用適當類型的動態隨機存取記憶體(dynamic RAM，DRAM)或靜態隨機存取記憶體(static RAM，SRAM)等方式實施。隨機存取記憶體120可儲存處理電路110執行作業系統或其他程式時所需的資料。
在本實施例中，硬碟130為採用疊瓦式磁記錄的硬碟，並且包含有媒體快取(media cache)(未繪示於圖中)，可以依據處理電路110的設置，而輸出所儲存的資料，或者將資料寫入硬碟130內部的儲存空間。在本案中，硬碟130的媒體快取僅在讀取資料時提供加速功能，而非用於提供寫入資料時的加速功能。
在本實施例中，非揮發性記憶體140可以採用鐵電隨機存取記憶體(ferroelectric RAM)、磁阻式隨機存取記憶體(magnetoresistive RAM)、可變電阻式隨機存取記憶體 (resistive RAM)、相變記憶體(phase-change memory)等方式實施，其存取速度及使用壽命皆高於快閃記憶體(flash memory)。例如，相對於快閃記憶體可耐用約10萬次的讀寫次數，非揮發性記憶體140可依據設計考量，而選擇耐用讀寫次數更高的裝置。例如，可採用英特爾傲騰(Intel® Optane)儲存裝置，其存取速度介於動態隨機存取記憶體與快閃記憶體之間，但其耐用度則高於傳統的快閃記憶體。非揮發性記憶體140的存取速度比隨機存取記憶體120慢，並且比硬碟130快。因此，非揮發性記憶體140可用以協助硬碟130的運作，以增進硬碟130的效能。
在本實施例中，匯流排150可以包含一種或多種技術的匯流排(bus)，使處理電路110、隨機存取記憶體120、硬碟130和非揮發性記憶體140能夠藉由匯流排150電性耦接而傳遞信號。例如，處理電路110可以通過記憶體匯流排(memory bus)與隨機存取記憶體傳收信號，處理電路110和硬碟130和非揮發性記憶體140間，可以採用快速外部連結(Peripheral Component Interconnect Express,PCIe)或串行高技術連結(Serial Advanced Technology Attachment,SATA)等匯流排傳收信號。為使圖式簡潔而易於說明，上述元件間的各種匯流排連接方式僅整合性地繪示為匯流排150。
在一實施例中，硬碟130和非揮發性記憶體140在作業系統由驅動程式整合為一個儲存裝置，而處理電路110經由作業系統的驅動程式來存取硬碟130和非揮發性記憶體140整合後的存取裝置。在另一實施例中，處理電路110也可以藉由與硬碟130的控制電路(未繪示於圖中)或非揮發性記憶體140的控制電路(未繪示於圖中)協同運作，以存取硬碟130和非揮發性記憶體140。此外，硬碟130和非揮發性記憶體140僅是為了易於說明而繪示為兩個功能方塊，實際上硬碟130和非揮發性記憶體140也可以整合於同一個硬碟產品或者採用多個電子元件的方式實施。
在一實施例中，當處理電路110欲由硬碟130將資料讀取至隨機存取記憶體120時，硬碟130可以將資料預先儲存於硬碟130的媒體快取，再由媒體快取將資料經由匯流排150傳輸至隨機存取記憶體120。由於媒體快取通常會設置於硬碟130中存取速度較快的區域(例如：碟片最外圈的區域)，因此可以藉由將資料預先儲存於硬碟130的媒體快取，來加速硬碟130的讀取效能。在另一實施例中，當處理電路110欲由硬碟130將資料讀取至隨機存取記憶體120時，硬碟130可以將資料預先儲存於硬碟130的媒體快取，再由媒體快取將資料儲存至非揮發性記憶體140，再由非揮 發性記憶體140經由匯流排150將資料傳輸至隨機存取記憶體120，來加速硬碟130的讀取效能。
第2圖為儲存系統100所執行的一種儲存方法200的流程圖，以下將以圖1和2說明儲存系統100的運作方式。
在步驟210中，處理電路110欲將隨機存取記憶體120的資料寫入硬碟130，因此隨機存取記憶體120的資料經由匯流排150先傳輸至非揮發性記憶體140。此時，無論隨機存取記憶體120的資料在傳統的硬碟中屬於連續寫入的方式或者隨機寫入的方式，在本案的實施例中都將先儲存於非揮發性記憶體140。
在步驟220中，當非揮發性記憶體140需要將資料寫入硬碟130時，非揮發性記憶體140的控制電路會將欲寫入硬碟130的資料設置為連續寫入方式，亦即欲寫入硬碟130的資料都將儲存於硬碟130上的連續的磁區。在一實施例中，還可以將欲寫入硬碟130的最小單位設置為一個區塊(block)的整數倍，每個區塊具有一預設的整數個磁區。例如，當一個磁區(sector)設置為512位元組(Byte)，而一個區塊設置為4096位元組時，一個區塊即為八個磁區。因此，在此實施例中，欲寫入硬碟130的最小單位設置為一個區塊的整數倍，也就是此外八個磁區的整數倍。此外，可以由 硬碟製造商、作業系統設定或者經由使用者設定等方式，來分別設置磁區與區塊的大小。
在一實施例中，當一個區塊的大小等於八個磁區，當非揮發性記憶體140所儲存的24個磁區的第一資料與16個磁區的第二資料欲寫入硬碟130時，由於第一資料和第二資料的資料量總和正好是5個區塊(40個磁區)的資料量，非揮發性記憶體140的控制電路會將第一資料及第二資料設置為儲存於硬碟130的連續5個區塊，亦即連續的40個磁區。
在另一實施例中，當一個區塊的大小等於八個磁區，當非揮發性記憶體140所儲存有6個磁區的第三資料與13個磁區的第四資料欲寫入硬碟130時，由於第三資料和第四資料的資料量總和僅由19個磁區，並非一個區塊的磁區的數量的整數倍的資料量總和，非揮發性記憶體140的控制電路會將欲寫入硬碟130的資料仍然設置為寫入整數個區塊的磁區，使寫入硬碟130的區塊的資料量總和會大於或等於當非揮發性記憶體140欲寫入的資料量總和。亦即在本實施例中，非揮發性記憶體140的控制電路會將第三資料及第四資料設置為儲存於硬碟130的連續3個區塊，亦即連續的24個磁區，至於多餘的5個磁區可以寫入預設的數值(例如：全0或全1)或採用其他合適的方式。
在步驟230中，將非揮發性記憶體140欲寫入硬碟130的資料，以步驟220中設置的方式，儲存於磁碟130連續的磁區。
傳統的硬碟中，資料會採用隨機寫入或連續寫入的方式儲存至硬碟。然而，在本案的實施例中，藉由將資料儲存於非揮發性記憶體140，並且將資料設置為以連續個磁區或者整數個區塊的寫入方式儲存，使資料能夠以連續寫入的方式儲存至硬碟130中連續的磁區。因此，在硬碟130的資料儲存流程中，無須使用硬碟130的媒體快取來輔助隨機寫入機制，故不需要額外的背景活動來將由媒體快取的隨機寫入資料儲存至硬碟130的磁區，而能大幅降低硬碟所消耗的功率。
此外，本案的實施例藉由將非揮發性記憶體140的資料以區塊的方式連續寫入硬碟130，避免速度較慢的隨機寫入機制，因而能加速硬碟130的存取效能。此外，更可因硬碟130寫入時間的減少，而降低硬碟130寫入時受到震動或撞擊而使碟片損毀的風險。
雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (6)

  1. 一種儲存系統，包含：一隨機存取記憶體；一硬碟，包含一媒體快取；一非揮發性記憶體；以及一處理電路，設置用以將該隨機存取記憶體的複數個資料儲存至該硬碟；其中儲存於該隨機存取記憶體的該複數個資料將先儲存至該非揮發性記憶體，再由該非揮發性記憶體不經過該硬碟的該媒體快取，而將該複數個資料直接寫入該硬碟的複數個連續的磁區(sector)；其中當該處理電路欲由該硬碟將該複數個資料的至少一部份讀取至該隨機存取記憶體時，該硬碟會將該複數個資料的至少一部份先儲存至該媒體快取，再由該媒體快取將該複數個資料的至少一部份傳送至該隨機存取記憶體；其中該媒體快取將該複數個資料的至少一部份傳送至該非揮發性記憶體，再由該非揮發性記憶體將該複數個資料的至少一部份傳送至該隨機存取記憶體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之儲存系統，其中該複數個連續的磁區的數量是一區塊(block)的磁區的數量的一整數倍，並且該區塊具有一預設的整數個磁區。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之儲存系統，其中該複數個資料的資料量總和小於或等於該區塊的磁區的數量的該整數倍的資料量總和。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之儲存系統，其中該複數個連續的磁區的數量是一區塊的磁區的數量的一整數倍，並且該區塊具有一預設的整數個磁區。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之儲存系統，其中該複數個資料的資料量總和小於或等於該區塊的磁區的數量的該整數倍的資料量總和。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之儲存系統，其中該非揮發性記憶體的一存取速度比該隨機存取記憶體慢，並且比該硬碟快。
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