CN101498994B - 一种固态硬盘控制器 - Google Patents

Abstract

一种固态硬盘控制器，属于硬盘存储技术领域。硬盘控制器包括命令队列模块和闪存并行存储模块，命令队列优化模块获取命令地址队列，将其分离为写地址队列和读地址队列，依据写地址队列从硬盘缓冲区提取数据并写入闪存并行存储模块，依据读地址队列从闪存并行存储模块读取数据并输出给硬盘缓冲区。所述闪存并行存储模块包括一个以上的闪存通道，闪存通道内的闪存芯片采用位扩展方式。本发明对写操作和读操作分别进行处理，并通过闪存通道并行结构实现数据并行传输，从而有效提高了固态硬盘读写效率。

Description

一种固态硬盘控制器

技术领域

本发明属于硬盘存储技术领域，特别涉及固态硬盘控制器。

背景技术

固态硬盘(Solid State Disk)简称SSD，采用Flash(闪存)芯片作为存储介质，由控制单元和存储单元(Flash芯片)两部分组成。控制单元主要功能是读取、写入数据，存储单元主要功能是存储数据。由于固态硬盘没有普通硬盘的机械结构，采用半导体材料作为存储介质，和常规硬盘相比，具有低功耗、无噪音、抗震动、低热量、传输速度快等优势。

固态硬盘以NAND型闪存为存储介质。NAND型闪存基本操作有：读取，编程，擦除。读写操作的基本单位是页，擦除操作的基本单位是块。目前大容量闪存采用2KB页时，每个块包含256个页，容量512KB。读取步骤分为：发送命令和寻址信息，将数据传向页面寄存器(随机读稳定时间)，数据传出。写步骤分为：发送寻址信息，将数据传向页面寄存器，发送命令信息，数据从寄存器写入页面。闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入。NAND型闪存的读写速度有较大差异，擦除操作的一个块包含多个页，每个块的最大擦写次数是约一百万次。另外，闪存可能出现坏块。

在传统硬盘的读写过程中，硬盘磁头的寻址时间通常限制了整个硬盘的性能，指令队列技术的发展使得当硬盘设备执行命令时，硬盘内部的控制器根据硬盘磁头的物理位置，对队列中的命令重新排序，优先读写距离当前硬盘磁头的位置最近的扇区。由于固态硬盘的特殊性，在其设计中需要对传统硬盘的管理和数据传输方法进行改进，充分发挥闪存的优势，使固态硬盘更好地支持接口技术和提供更高的内部数据传输率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固态硬盘控制器，使得固态硬盘具有较快的存储和读取速度。

一种固态硬盘控制器，包括命令队列模块104和闪存并行存储模块105，命令队列优化模块104获取命令地址队列，将其分离为写地址队列和读地址队列，依据写地址队列从硬盘缓冲区提取数据并写入闪存并行存储模块105，依据读地址队列从闪存并行存储模块105读取数据并输出给硬盘缓冲区；所述闪存并行存储模块105包括一个以上的闪存通道，闪存通道内的闪存芯片采用位扩展方式。

所述命令队列优化模块104在分离命令地址队列前，按照命令地址高低对其排序。

所述命令队列优化模块104包括队列控制单元1041)、闪存转译层1043和写闪存转译层1045、写入数据队列1046和读出数据队列1047，

队列控制单元1041获取命令地址队列，根据命令类型将命令地址队列分离为读地址队列1042和写地址队列1044；按照写地址队列1044中的当前写地址并以自定义页大小提取硬盘缓冲区的待写入数据，将其添加到写入数据队列1046；调用写闪存转译层1045将当前写地址转换为当前写物理地址，将其和写入数据队列1046中的当前待写入数据一起传送给闪存并行存储模块105；所述自定页大小依据闪存通道内的闪存芯片位扩展方式确定；以及

队列控制单元1041调用读闪存转译层1043将读地址队列1042的当前读地址转换为当前读物理地址，将其传送给闪存并行存储模块105；接收闪存并行存储模块105的待读出数据，将其添加到读出数据队列1047；按照当前读地址并以扇区容量大小为单位将读出数据队列1047中的当前待读出数据向外输出。

所述闪存并行存储模块105包括闪存阵列控制器801、多端口数据分配器802和一个以上的闪存通道，

闪存阵列控制器801接收队列控制单元1041的当前写物理地址，多端口数据分配器802依据当前写物理地址将来自队列控制单元1041的当前待写入数据存入闪存通道；

闪存阵列控制器801还接收队列控制单元1041的当前读物理地址，端口数据分配器802依据当前读物理地址从闪存通道读取当前待读出数据，将其添加到所述读出数据队列1047。

本发明的技术效果体现在：

(1)本发明对命令队列进行排序优化，将一段地址区间内的多次小块操作聚合，实现在一次闪存操作中完成多次小块操作请求；对命令队列进行分离，分别对分离得到的写操作队列和读操作队列进行操作，提高了固态硬盘读写效率。

(2)本发明设计合理的闪存芯片阵列并行结构和数据管理方法，实现数据并行传输，提高固态硬盘内部数据传输速度。

(3)由于固态硬盘读与写操作的逻辑和物理地址转换机制不同，本发明将闪存转译层分离为读闪存转译层和写闪存转译层，分别对读操作队列和写操作队列进行译址，这样的模块设计使得写读操作均能实现流水线行执行，提高闪存转移层的处理速度。

附图说明

图1为本发明的固态硬盘结构示意图。

图2为本发明的命令队列优化结构示意图。

图3为指令流水线执行示意图。

图4为本发明的命令队列优化流程图。

图5为本发明的数据组织示意图。

图6为本发明的闪存通道位扩展结构示意图。

图7为本发明的数据并行传输示意图。

图8为本发明的数据并行存储控制器结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的固态硬盘结构示意图，固态硬盘工作过程具体为：队列控制器1041从接口101获取命令地址队列102，按照命令地址高低对其排序，按命令类型将排序后的命令队列分离成读地址队列1042和写地址队列1044。写操作中，队列控制器1041调用写闪存转译层(WFTL)1045对写地址队列1044进行坏块管理和磨损平衡处理获得写地址队列的物理地址队列，队列控制器1041按照写地址队列1044依序通过接口101获得数据缓冲区103中的数据，并以自定义页502为单位提取到写入数据队列1046中，队列控制器1041将物理地址队列顺序传送给数据并行存储控制器1051，并行存储控制器1051将从写入数据队列1046获取的数据以自定义页为数据块单位写入到闪存阵列1052中。读操作中，读操作队列1042经过读闪存转译层(RFTL)1043处理，获得操作的物理地址，数据并行存储控制器1051根据由读闪存转译层(RFTL)1043发出的读命令和物理地址，将数据以自定义页为单位从闪存阵列1052中读出传输到读出数据队列1047中，队列控制器1041以扇区为单位将读出数据队列1047的数据传输到数据缓冲区103。

如图2所示，队列优化模块104处理的对象是队列命令202，核心是队列机制。主机适配器与固态硬盘控制器通过接口总线交换数据，通过帧信息结构FIS(Frame Information Structure)来交换逻辑块地址LBA(LogicalBlock Addressing)、地址偏移、命令和状态信息。其中，标记Tag是一个重要的元素，在固态硬盘接口控制器中有一个含有Tag的命令队列，在主机适配器缓存中有与它对应的Tag标志位表，其值域为[0，n]，其中n是队列的深度，每一条命令都有唯一的标记值，应用于队列化命令的数据操作。本发明的队列控制器1041主要完成读写命令的分离、处理读出/写入数据队列管理和与数据缓冲区的数据交互、返回命令执行状态等功能。如果固态硬盘在很短的时间内完成多条命令(这在工作负荷繁重时经常出现)，队列控制器可以将多个中断聚合起来，这样主机控制器只需处理一次中断就可以了。本发明的队列控制器采用第一方直接内存访问(DMA)技术，使硬盘能够在没有主机软件干预的情况下，为数据传输设置直接内存访问(DMA)操作。硬盘通过向主机控制器发送一个DMA配置帧信息结构(DMA Setup FIS)来选择DMA内容。这一FIS为被设置的DMA指定了命令标记。主机控制器根据标记值，为该命令向DMA引擎内装载定时器周期寄存器(PRD)表指针，然后，数据传输就可以在没有主机干预情况下进行，硬盘由于可以自己选择所传送数据的缓冲区，就能够更有效地对命令重新排序。

如图3和图4所示，在建立读/写操作队列后，由于每个队列完成读或写之中单一的功能，可将读/写操作过程细化为多个功能模块，使指令队列能流水线301操作，这将大大加速指令队列的执行过程。

如图5所示，硬盘接口以扇区(Sector)501为数据传输单位，1个扇区容量为512*8bit。闪存芯片以页(Page)为数据传输单位，目前大容量闪存采用2KB页，1个页有效数据容量为2048*8bit。本发明的每个闪存通道内采取位扩展方式使通道内多块闪存芯片能并行操作，假设单个闪存芯片页(Page)容量为N字节(Byte)，一个闪存通道内采取M个闪存芯片进行位扩展，则为了适应并行存储应该采取自定义页为闪存通道数据传输单位，每个自定义页容量为N*(M*8)bit。本发明的闪存数据传输单位为自定义页502，一个自定义页容量为2048*16bit。因此在数据写入时，需要由队列控制器1041将数据缓冲区103中八个连续扇区数据501组织为一个自定义页502放入写入数据队列1046。在数据读出时，需要由队列控制器1041将读出数据队列1047中一个自定义页502分离为八个连续扇区数据501放入数据缓冲区103中。

如图6和图7所示，本发明的数据并行存储方法包括两层并行操作：将闪存阵列划为多个闪存通道601，由数据并行存储控制器1051控制各通道实现并行操作；各通道内的闪存芯片采取位扩展方式，以自定义页502为传输单位，低8位与高8位分别由不用芯片存储，使通道内多块闪存芯片能并行操作。在本发明实施过程中，以8个闪存芯片组成的存储阵列来举例说明：闪存阵列1052的8个闪存芯片组成4个通道，一次I/O数据请求701要写入9个自定义页502的数据，这一个请求被转化为9项操作，其中的每一项操作都对应于一个闪存通道602。原先顺序的自定义页数据701写操作被分散到所有的8块闪存芯片中并行执行。从理论上讲，8块闪存芯片的并行操作使同一时间段内硬盘读写速度提升了8倍。但由于总线带宽等多种因素的影响，实际的提升速率会低于理论值，但是大量数据并行传输与串行传输相比能带来显著的提速效果。

如图7和图8所示，本发明的数据并行存储控制器1051在收到写数据命令后，闪存阵列控制器801根据命令提供的数据信息和地址信息，产生相应通道的写入命令，多端口数据分配器802将数据从写入数据队列1046中取出，以自定义页502为单位将数据分配到相应通道的写先进先出队列(写FIFO)804上，闪存阵列控制器801根据各通道601返回的状态信息控制后续操作，向上层返回该命执行状态信息。在收到读数据命令时，闪存阵列控制器801根据命令提供的数据信息和地址信息产生相应通道601的读出命令，多端口数据分配器802以自定义页502为单位将数据从相应通道601的读先进先出队列(读FIFO)803读出，写入读出数据队列1047。闪存阵列控制器801根据各通道601返回的状态信息控制后续操作，向上层返回该命令执行状态信息。

Claims (4)

1.一种固态硬盘控制器，其特征在于，包括命令队列优化模块(104)和闪存并行存储模块(105)，命令队列优化模块(104)获取命令地址队列，将其分离为写地址队列和读地址队列，依据写地址队列从硬盘缓冲区提取数据并写入闪存并行存储模块(105)，依据读地址队列从闪存并行存储模块(105)读取数据并输出给硬盘缓冲区；所述闪存并行存储模块(105)包括一个以上的闪存通道，闪存通道内的闪存芯片采用位扩展方式。

2.根据权利要求1所述的一种固态硬盘控制器，其特征在于，所述命令队列优化模块(104)在分离命令地址队列前，按照命令地址高低对其排序。

3.根据权利要求2所述的一种固态硬盘控制器，其特征在于，所述命令队列优化模块(104)包括队列控制单元(1041)、读闪存转译层(1043)和写闪存转译层(1045)、写入数据队列(1046)和读出数据队列(1047)，队列控制单元(1041)获取命令地址队列，根据命令类型将命令地址队列分离为读地址队列(1042)和写地址队列(1044)；按照写地址队列(1044)中的当前写地址并以自定义页大小提取硬盘缓冲区的待写入数据，将其添加到写入数据队列(1046)；调用写闪存转译层(1045)将当前写地址转换为当前写物理地址，将其和写入数据队列(1046)中的当前待写入数据一起传送给闪存并行存储模块(105)；所述自定义页大小由闪存通道内的闪存芯片位扩展方式确定；以及

队列控制单元(1041)调用读闪存转译层(1043)将读地址队列(1042)的当前读地址转换为当前读物理地址，将其传送给闪存并行存储模块(105)；接收闪存并行存储模块(105)的待读出数据，将其添加到读出数据队列(1047)；按照当前读地址并以扇区容量大小为单位将读出数据队列(1047)中的当前待读出数据向外输出。 

4.根据权利要求3所述的一种固态硬盘控制器，其特征在于，所述闪存并行存储模块(105)包括闪存阵列控制器(801)、多端口数据分配器(802)和一个以上的闪存通道，

闪存阵列控制器(801)接收队列控制单元(1041)的当前写物理地址，多端口数据分配器(802)依据当前写物理地址将来自队列控制单元(1041)的当前待写入数据存入闪存通道；

闪存阵列控制器(801)还接收队列控制单元(1041)的当前读物理地址，端口数据分配器(802)依据当前读物理地址从闪存通道读取当前待读出数据，将其添加到所述读出数据队列(1047)。 

Images