一种以最大带宽工作的硬盘作高速缓存的外存储器加速卡

摘要

一种以最大带宽工作的硬盘作高速缓存的外存储器加速卡,本发明涉及计算机外存储器加速卡技术,主要解决目前计算机外存储系统对频繁读写响应慢的问题。本发明所述的外存储器加速卡插入计算机的PCI总线的扩展槽中,可缩短外存储系统的读/写响应时间,特别是频繁小写响应时间,本发明技术方案经模拟运行证明,在频繁小读小写的条件下,能提高服务器和工作站外存储系统的速度性能4—8倍。

说明书

本发明涉及计算机系统外存储器加速卡技术。具体地说，这是一种插入计算机PCI总线扩展槽中的外存储器加速卡。它能缩短可写入式外存储器的读/写响应时间，特别是长度小于32KB小写的响应时间。

在本发明提出之前，为了提高计算机的整体计算性能，几代科学家进行了艰苦的探索。70年代的速度瓶颈在中央处理器(CPU)，80年代的速度瓶颈在内存和系统总线，90年代的速度瓶颈在网络带宽。到90年代末，随着Internet的高速普及，企业内部网络的快速发展，以及电子商务、Web服务和E-mail服务的兴起，计算机的速度瓶颈已经转移到计算机的外存储系统上。随着应用程序的扩大，网上服务请求的急剧增加，工作站和网络服务器的存储系统越来越难以满足用户需求。目前，解决这一瓶颈的方法有以下几种：

其一，采用磁盘阵列技术(RAID)，此方法虽能加快大块数据的传输，但对频繁小写操作则性能不理想。

其二，采用加大半导体高速缓存量的技术(Cache)，此方法虽能大大提高存储系统的速度性能，但所用半导体器件---防掉电高速缓存NVRAM，其价格昂贵，除了企业级服务器存储系统采用外，大量的中小规模服务器难以承受其价格。

本发明的目的是，提供一种利用最大带宽工作的硬盘作高速缓存的外存储器加速卡设计方案，以较低的成本解决目前高性能计算机的存储系统在输入输出时的瓶颈问题，提高服务器和工作站存储系统的速度性能，缩短可写入式外存储器读/写响应时间，特别是缩短小写响应时间之目的。

实现本发明的具体技术措施及方案是，一种利用磁盘最大带宽实现高速缓存磁盘的外存储器加速卡，它仅用少量RAM收集不连续的I/O请求，然后以连续方式(硬盘最大带宽工作模式)整体转存于硬盘缓存区，并在系统空闲时将数据分散转存到硬盘数据区的目标地址。它至少包括：一块含RAM缓存器芯片和PCI接口器件的RAM缓存卡，一个RAM缓存卡的设备驱动程序，一个SCSI卡中间层驱动程序。本发明所述的一种以最大带宽工作的硬盘作高速缓存的外存储器加速卡，是将主计算机系统的可写入式外存储器作为数据盘，并从数据盘中划分出一个特殊的逻辑盘区作为高速缓存盘，SCSI卡中间层驱动程序对于大写数据请求直接调用SCSI卡设备驱动程序，将其写入数据盘，而对小写数据请求，则调用RAM缓存卡设备驱动程序，将其写入RAM缓存器芯片。本发明所述的SCSI卡中间层驱动程序，在没有新的I/O请求，并且高速缓存(Cache)盘空闲时，调用RAM缓存卡设备驱动程序读出RAM缓存器内全部数据，然后调用SCSI卡设备驱动程序，将其整体转存入高速缓存(Cache)盘中。上述所涉及的SCSI卡中间层驱动程序在检测到外存储系统处于较长空闲期时，调用SCSI卡设备驱动程序进行高速缓存(Cache)盘到数据盘的数据的分散转存工作，其间遇到新的I/O请求时则暂停。本发明SCSI卡中间层驱动程序在检测到关机命令时，将RAM缓存器中的数据向Cache盘进行整体转存。

本发明在实际操作过程中，显示出了突出的优越性，由于小写数据首先写入RAM器件，所需时间远短于写入磁盘，所以操作系统等待写入完成的时间较常规写盘操作大大缩短，同时由于RAM缓存区中的大量小写数据块转存到高速缓存(Cache)盘时，采取连续写入方式，因此全过程只有一次寻道和一次道上等待操作，所以耗时比各个小写数据块单独写入要少得多，另外，高速缓存(Cache)盘向数据盘的分散转存操作是在主机空闲时进行，有相当长的间歇期和灵活度，不成为主机繁忙的负荷。经模拟实验证明，在频繁小读小写的情况下，本加速卡可提高写盘操作速度，与现有的写盘速度相比，可提高写速度性能4-8倍，有效地解决了目前计算机速度瓶颈在存储系统上的问题。

下面进一步通过本发明附图描述其原理结构及实现方式。

附图1是采用物理盘的高速缓存系统结构图。

附图2是采用逻辑盘的高速缓存系统结构图。

附图3是外存储器加速卡原理结构图。

附图4是附图3中RAM缓存卡硬件组成框图。

附图5是主程序流程图。

附图6是空闲侦测子程度流程图。

本发明附图1和附图2由四部分组成：

RAM缓存器(RAM Buffer)1

容量为几百KB到1MB，用作高速的一级Cache。

RAM缓存器1用半导体存储芯片实现，它可以是非易失性的，也可以是易失性的。

Cache盘(Cache Disk)2

容量为几MB到几十MB，作为大容量的非易失性二级Cache。

Cache盘2的实现方法，可以是物理的，即单独设一个硬磁盘驱动器，如图1所示，也可以是逻辑的，即从某一个硬磁盘驱动器的存储空间分出一个特殊的逻辑盘区来，如图2所示。

数据盘(Data Disk)3

这是普通意义上的硬磁盘，是外部数据的最终存放地。

上叙1、2、3部件构成三层存储结构。

控制器(管理机构)4

它以适当手段捕获操作系统原本发往数据盘3的小写请求，使其进入上述三层存储结构，并管理三层结构内部的数据流动及其形式变换，最终达到整体上等效于一个高速的大容量存储系统的目的。

控制器4可以用纯软件实现(例如嵌入特定的驱动程序中)，也可以用专用微处理器实现(制作在加速卡中，内含程序)。

本发明是一种三层存储结构，其工作过程如下：

首先它用小容量的RAM缓存器1收集每次的小写数据，这样响应很快而成本不高；其次是及时把全部小写数据用“大写”方式迅速地整体转存到Cache盘2(远快于分散写入，数据在RAM缓存器1中停留时间很短)，以避免RAM缓存器被写满或掉电丢失数据。上叙两级Cache结构对主机来说，就等效于一个相当大的快速(RAM速度)非易失性Cache，兼顾了速度、安全性与成本；最后是在外存储系统访问空隙期间将Cache盘2中的数据逐一发送到数据盘3上的真正目的地址。由于Cache盘2有足够大的容量吸纳一批突发到达的全部小写数据(例如1000-10000个4KB的小写块)，所以这种慢速分散转存操作通常能推迟到密集访问结束之后。即使在分散转存过程中遭遇新的硬磁盘访问请求，分散转存工作也能立即挂起以优先满足访问，所以它不占用主机时间。

对于读请求，控制器4按现有读Cache技术进行加速。

由上述可知，本发明的结构有足够的数据安全性。

由于本发明是位于操作系统的设备管理层与设备控制器层之间的体系结构技术，所以它不需要改动操作系统的文件管理机制，对设备管理层的改动仅限于某些实现方案所需编制的设备驱动程序，因此可实现性较好。

本发明在附图3、附图4、附图5和附图6中所描述的是上述技术方案的一个实例。

以IBM-PC台式计算机及其兼容机为例，至少有一个PCI总线扩展槽，有一个PCI-SCSI总线适配器(即SCSI卡)，通过SCSI总线连接硬磁盘(或可写光盘)。

本发明实例包括：

一块含RAM缓存器1芯片和PCI接口器件的RAM缓存卡8；

一个RAM缓存卡8的设备驱动程序7；

一个SCSI卡中间层驱动程序6；

一个安装程序(仅在安装时使用一次)。

将RAM缓存卡8插入PCI总线扩展槽，运行安装程序，它首先从某一个硬磁盘的存储空间分出一个特殊的逻辑盘区作为逻辑Cache盘2，然后将两个驱动程序嵌入操作系统。

按照操作系统对外部设备的分层驱动机制，系统文件管理器5发出的所有I/O请求首先通过I/O管理器传递到中间层驱动程序6。

对大写请求，中间层驱动程序6调用SCSI卡设备驱动程序9，并通过SCSI卡适配器10接口将其直接写入数据盘3；

对小写请求，则调用RAM缓存卡设备驱动程序7，将其写入RAM缓存器1芯片；

无论何种读请求，都要首先经过“命中”测试，以确定从何处读出数据最为快捷。

每当一次小写完成以后，中间层驱动程序6都要检查是否没有新的I/O请求以及Cache盘2此时是否空闲，如果两个条件同时满足，则首先调用RAM缓存卡设备驱动程序7读出RAM缓存器1内全部数据，然后调用SCSI卡设备驱动程序9，并通过SCSI卡适配器10接口将其写入Cache盘2。

中间层驱动程序6还启动一个“空闲侦测子程序”测试空闲时间，如果累计50ms没有收到I/O请求，则认为当前处于外存储系统相对空闲期，它就调用SCSI卡设备驱动程序9进行Cache盘2到数据盘3的数据分散转存工作，其间遇新的I/O请求则暂停。

当操作系统收到关机命令时，通过消息激活中间层驱动程序6将RAM缓存器1中的数据进行最后的整体转存。