專利名稱：基于Flash的數(shù)據(jù)存儲PCIE板卡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及計算機(jī)存儲領(lǐng)域中的存儲器，具體的說涉及一種基于Flash的存 儲裝置。
背景技術(shù)：
隨著計算機(jī)技術(shù)和集成電路工藝的不斷發(fā)展，越來越多的處理核心正在為計算 機(jī)性能提供源源不斷的動力，但長期以來受到訪問瓶頸的困擾。處理器與存儲器之間的 性能差距不斷加大，存儲器已經(jīng)成為限制系統(tǒng)性能的決定因素。同時，隨著近年來計算 機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與問題規(guī)模的不斷擴(kuò)大，許多應(yīng)用正在由計算密集型向數(shù)據(jù)密集型轉(zhuǎn)變， 數(shù)據(jù)密集計算更加需要高帶寬的存儲系統(tǒng)和I/O系統(tǒng)的支持。因此，必須深入研究滿足 高帶寬、高數(shù)據(jù)傳輸率的存儲系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。另一方面，盡管隨著技術(shù)的發(fā)展，硬盤的容量和轉(zhuǎn)速已經(jīng)有了很大的提高， 500GB容量和1萬轉(zhuǎn)速的硬盤也已經(jīng)出現(xiàn)，但是從整個計算機(jī)系統(tǒng)來看，系統(tǒng)的瓶頸還 是在硬盤存儲系統(tǒng)部分。近年來，閃存(FlashMemory)作為一種新的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)已經(jīng) 得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)過多次技術(shù)變革，閃存存儲容量越來越大、數(shù)據(jù)讀寫速度越來越快、 性價比也越來越高。人們對Flash存儲寄予厚望，希望它可以代替硬盤。在2008年美國消費電子大展上，閃存生產(chǎn)商推出了百G以上的閃存盤，而幾乎 所有大的PC廠商(包括蘋果、戴爾、索尼等)都推出基于此開發(fā)的筆記本電腦。隨著閃 存新技術(shù)的不斷突破，廠商們不斷增加其產(chǎn)品的容量和產(chǎn)品量產(chǎn)的規(guī)模，閃存盤與常規(guī) 硬盤的競爭也越來越激烈。Flash的優(yōu)勢還體現(xiàn)在其能耗只有傳統(tǒng)硬盤的1/5 1/6，符 合綠色存儲的發(fā)展趨勢。美國斯坦福大學(xué)和勞倫斯伯克萊國家實驗室(LawrenceBerkeley National Labs)的一項研究表明，全球數(shù)據(jù)中心的能耗在2000年至2005年間翻了一番，到 2010年將再增75%，數(shù)據(jù)中心包括了大量的服務(wù)器和存儲設(shè)備。從CPU到數(shù)據(jù)中心， 人們對于能耗的關(guān)注越來越強(qiáng)，為了降低存儲系統(tǒng)的能耗，基于Flash的存儲系統(tǒng)是很有 前景的方向。而且，F(xiàn)lash設(shè)備內(nèi)部沒有機(jī)械裝置，不會出現(xiàn)機(jī)械故障，同時還具有噪音 小、體積小、重量輕、非易失性(無需電源保護(hù))、耐高溫等優(yōu)點，有一些存儲廠商已經(jīng) 把Flash應(yīng)用于數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中，比如EMC、CURTIS、Qbisys等。全球最大中文網(wǎng) 站百度日前已成為全球首個使用閃存(FlashMemory)技術(shù)代替硬盤并大規(guī)模商用的互聯(lián) 網(wǎng)公司。2008年8月19日，百度每日承載數(shù)億次點擊訪問的檢索及索引存儲的運算集群 已經(jīng)全部拆除硬盤，并代之以百度自行定制研發(fā)的海量閃存卡，這一改變極大的提高百 度的服務(wù)能力和檢索速度。Flash存儲設(shè)備突破了傳統(tǒng)硬盤的性能瓶頸，它不但可以應(yīng)用 到傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，如銀行業(yè)、電信業(yè)等，還可以在工業(yè)控制、交通運輸、航 天領(lǐng)域、特別在軍事上有很大的應(yīng)用價值。盡管基于Flash技術(shù)的SSD存儲器已經(jīng)在學(xué)術(shù)界與工業(yè)界得到了廣泛關(guān)注與應(yīng) 用，但Flash介質(zhì)本身固有的某些物理屬性使得目前SSD技術(shù)在訪問寫速率、性能可擴(kuò)展 性、設(shè)備壽命等方面受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
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閃存的存儲特性和磁盤有較大的不同。閃存的這些性能要求其相應(yīng)的存儲系統(tǒng) 的設(shè)計與基于磁盤的存儲系統(tǒng)有很大的區(qū)別。提高基于閃存的存儲系統(tǒng)的性能得到了國 內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界人士的普遍重視。我們將兩者的不同比較如下1) “定點更改”不再成立傳統(tǒng)磁盤的寫操作是以扇區(qū)為單位，可以“定點”寫入或更新。但是在閃存 中，對某個扇區(qū)的寫操作，必須在擦除包含該扇區(qū)的更大的塊——擦除單元之后才能進(jìn) 行。典型的閃存扇區(qū)為512字節(jié)，而擦除單元有16K字節(jié)或128K字節(jié)。對一個扇區(qū)的 讀寫，可能導(dǎo)致另外31個扇區(qū)的擦除。如果實際應(yīng)用對存儲內(nèi)容的訪問恰好是小量且隨 機(jī)的，那么閃存的寫性能比普通磁盤的寫性能更差。而且，閃存的擦除次數(shù)有限，其生 命周期約10萬次到100萬次。2)無機(jī)械延遲閃存是純電子設(shè)備，不像磁盤需要物理地移動讀寫磁頭。因此閃存不存在耗時 的機(jī)械延遲，可以方便地隨機(jī)訪問和搜索閃存上的數(shù)據(jù)，其搜索速度只與數(shù)據(jù)大小線性 相關(guān)。3)不對稱的讀寫速度表1 磁盤與閃存的讀寫速度比較
權(quán)利要求
1.基于Flash的數(shù)據(jù)存儲PCIE板卡，包括主控模塊，存儲模塊和緩沖模塊，其特征 在于由一塊FPGA芯片做主控模塊，連接DDR內(nèi)存作為緩沖模塊，連接Flash芯片作 為存儲模塊，PCIE控制器、DDR控制器、命令解析器、軟Cache命中邏輯、X-Card管 理模塊、ECC校驗數(shù)據(jù)邏輯、Flash塊地址映射、仲裁器、Flash控制器都是在FPGA內(nèi) 部實現(xiàn)的，通過將程序下載到FPGA內(nèi)部完成各自的功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Flash的數(shù)據(jù)存儲PCffi板卡，其特征在于(1)X-Card管理模塊，與其他模塊都設(shè)有連接通道，通過下載到FPGA內(nèi)部的總控程 序來對整個板卡進(jìn)行管理，包括(a)在控制模塊中，有專門的存儲節(jié)點管理系統(tǒng)，可在接受到客戶端發(fā)出的讀寫信號 后，將指令發(fā)送到每一塊Flash芯片存儲單元中，實現(xiàn)并行讀寫；(b)在管理部件的周圍設(shè)有仲裁部件；(2)使用節(jié)點冗余技術(shù)，對存儲單元中的錯誤進(jìn)行定位，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)遷移，保 證數(shù)據(jù)的連續(xù)正確性；(3)使用板卡自診斷技術(shù)，進(jìn)行寫次數(shù)監(jiān)控；(4)使用了損耗均衡算法；(5)在接口模塊中使用了PCffi接口 ；(6)使用緩沖區(qū)來進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，以減少Flash芯片本身的讀寫次數(shù)，延長其使用壽命；(7)在板卡上集成有備用電源，防止意外掉電引起的數(shù)據(jù)丟失；(8)使用了ECC邏輯器件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份；(9)使用了管理節(jié)點技術(shù)，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理配置工作，處理各個客戶端的空間申 請、分配，監(jiān)控板卡的運行狀態(tài)以及熱插拔管理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Flash的數(shù)據(jù)存儲PCIE板卡，其特征在于多路Flash芯 片并行性開發(fā)的策略為設(shè)計多個Agent來完成對Flash存儲陣列的訪問，每個Agent都接受命令分配器的命 令請求，然后根據(jù)其管理的多條Flash存儲總線的狀態(tài)，決定哪些命令可以立即執(zhí)行，那 些命令需要等待，在某條命令執(zhí)行完畢后，還需要修改相應(yīng)的狀態(tài)位；1)整個Flash陣列由四個Agent代理來控制，每個Agent代理通過一個Flash存儲控 制器去完成對后端四條Flash存儲總線的管理，每條存儲總線上連接四塊Flash chip ；2)各個SuperChip之間的編址按照從上到下，從左到右的順序編址Flash陣列的16個Super Chip,每個Super Chip 對應(yīng)著

圖1中的一個Agent的四路存儲總線上的四塊Flash chip ；3)每個Agent內(nèi)部設(shè)置一個四位的寄存器，用來記錄其管理的四條Flash存儲總線的 狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于Flash的數(shù)據(jù)存儲PCIE板卡。由一塊FPGA芯片做主控模塊，連接了DDR內(nèi)存作為緩沖模塊，同時連接了Flash芯片作為存儲模塊，PCIE控制器、DDR控制器、命令解析器、軟Cache命中邏輯、X-Card管理模塊、ECC校驗數(shù)據(jù)邏輯、Flash塊地址映射、仲裁器、Flash控制器都是在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)的，通過將程序下載到FPGA內(nèi)部完成各自的功能。通信接口采用PCIE接口，數(shù)據(jù)傳輸速率高。PCI-E也支持高階電源管理，支持熱插拔，支持?jǐn)?shù)據(jù)同步傳輸，為優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行帶寬優(yōu)化。
文檔編號G06F3/06GK102012791SQ20101050816
公開日2011年4月13日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者劉芳, 安龍飛, 肖儂, 賴明澈, 陳志廣 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)