將流式音頻視頻數據寫入磁碟驅動器的方法
2023-06-14 11:12:26 1
專利名稱：將流式音頻視頻數據寫入磁碟驅動器的方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種磁記錄磁碟驅動器，更具體地說涉及優化用於寫入並且讀取音頻和/或視頻(音頻視頻或「AV」)數據的磁碟驅動器。
背景技術：
在用在計算機數據處理環境中的傳統磁記錄磁碟驅動器中，數據以稱為固定塊結構的格式存儲在磁碟上的固定長度(固定比特數)物理扇區中。在FBA磁碟驅動器中，磁碟上的同心數據磁軌具有共同的索引，它代表這些磁軌的起始，並且每個磁軌上的每個扇區具有一物理扇區號或地址。當前在計算機數據處理環境中使用的磁碟驅動器的特徵在於隨機存取模式和小數據塊。相反，在AV環境中，數據處理的特徵在於大順序數據塊的流，以及多個數據流的交錯。例如，AV數據流的交錯使得數字錄象機(DVR)能夠同時記錄和播放實時電視，並記錄兩個電視節目。
用於在AV環境中進行數據存儲的基準基於性能的單位成本。AV磁碟驅動器數據工作負荷分為佔優勢的大讀取和寫入，點綴以小讀取和寫入，小的讀寫可能頻繁進行但只包含少量數據。因此，磁碟驅動器可能會由於旋轉等待時間而花費相當多的時間等待，所謂旋轉等待時間，即寫磁頭在下一次寫入可以進行之前等待磁碟轉動直到檢測到索引所需要的延遲時間。
AV環境的另一個方面在於，如果磁碟上的數據扇區存在不可校正的錯誤，則沒有時間來重新讀取該數據。相反，DVR會注意到該數據不正確，並且試圖隱藏丟失的比特，例如通過短暫地凍結AV數據流以掩蓋該錯誤。
所需要的是這樣一種AV優化的磁碟驅動器，它不會出現由於旋轉等待時間而引起的延遲並且在數據錯誤的情況中重新讀取該數據。
發明內容
本發明是一種用於通過將數據組織成簇(cluster)，並且向讀取/寫入磁頭已穩定到旋轉磁碟上的目標磁軌上之後所遇到的第一物理扇區開始寫入所述簇從而將流式音頻視頻數據寫入到磁碟驅動器上的方法。一個數據簇包含的數據塊數與磁碟上的整數個磁軌中的物理扇區數目相對應，從而單簇的寫入是向磁碟上的整數個全磁軌進行寫入。即使該磁碟驅動器可以具有用來識別所有磁軌中的第一物理扇區的物理索引，簇數據的寫入也可以在無需索引的條件下進行。
在音頻視頻數據的交錯存儲期間，在多個記錄任務循環進行直到完成所有任務時，在第一任務的第一部分中的簇在第一交錯存儲循環或時段期間被寫入，然後將磁頭定位到另一個磁軌上，在那裡從磁頭遇到的第一物理扇區開始在下一個交錯存儲時段期間寫入在第二任務的第一部分中的簇，而無需等待索引。
通過將塊編號寫入到物理扇區或通過將簇標記(clusterindicator)的起始寫到寫入該簇的磁軌上，從而標識出簇數據的第一數據塊所寫入的位置。
因為音頻視頻數據是以全磁軌簇增量寫入的，所以可以在不增加顯著性能衝擊的情況下在線(傳輸中、飛行式，on-the-fly)計算用於糾錯的奇偶校驗扇區。因為可以通過與完整簇相關的奇偶校驗來覆蓋一個或多個完整扇區的丟失，所以可以取消對每個單獨數據扇區進行的二級糾錯。
為了更全面地理解本發明的特性和優點，應該參照以下詳細說明以及附圖。
圖1顯示出與磁碟上的單個數據磁軌的八個物理扇區(S6...S5)相關聯的八個固定長度邏輯塊(B0...B7)的單磁軌簇；圖2為磁碟驅動器的示意圖，顯示出具有包含所記錄的數據邏輯塊的物理扇區的單磁軌；圖3為寫入單個數據簇的過程的流程圖；圖4A顯示出用於向物理扇區寫入兩個交錯存儲數據流的邏輯塊的現有技術過程，它需要等待每個磁軌的索引；圖4B顯示出用於向在完成對目標磁軌的查找之後所遇到的第一物理扇區寫入兩個交錯存儲數據流的邏輯塊的本發明過程；圖5A顯示出在現有技術FBA中數據和糾錯碼(ECC)在磁軌上的布局；圖5B顯示出在本發明的簇結構中數據和糾錯碼(ECC)在磁軌上的布局。
具體實施例方式
在本發明中，用於AV流式數據的基本單元是在磁碟上的整數個全磁軌，被稱為一個簇。如果該整數為1，則一個全磁軌單元是該簇。所有的數據寫入因此是全磁軌寫入。數據簇分解為整數個固定長度數據塊，就象在傳統的FBA格式中一樣。簇中的數據塊包含AV數據，並且在該簇中的至少一個數據塊可以包含從一組包含AV數據的數據塊中計算出的糾錯信息。由於簇是整數個全磁軌，所以簇中的數據塊的數目等於在構成該簇的所有磁軌中的物理扇區數目。
在沒有現有技術的在邏輯塊地址和磁軌上的物理扇區號之間的關聯的情況下，將數據寫入到磁軌中的物理扇區上。圖1顯示出八個固定長度邏輯塊B0...B7的示例性單磁軌簇，每個邏輯塊是一個物理數據扇區的尺寸。將這些數據塊這樣寫入到數據磁軌上，從而如圖中所示一樣，數據塊B0寫入到數據扇區S6，數據塊B1寫入到數據扇區S7等。扇區S0...S7是在磁軌上的物理扇區。扇區S0保存著數據塊B2。在傳統的FBA格式中，扇區S0將保存著數據塊B0，S1保存著數據塊B1，等等。
圖2為方框圖，顯示出將邏輯塊寫入到這些物理扇區上的方法。磁碟驅動器促動器懸臂101使讀/寫(R/W)磁頭102在磁碟103上大體上徑向移動(如靠近磁頭102的箭頭所示)，從而將它定位到目標數據磁軌上。包含物理扇區S0...S7的數據磁軌顯示在磁碟103上。在優選的實施方案中，每個物理扇區具有記錄在扇區起始處的扇區號或地址。這些扇區號在對磁碟進行格式化時被記錄，此時還記錄伺服定位信息。但是，本發明的關鍵方面在于格式是「無索引的」，即不需要用於標識磁軌的起始的物理索引標記。即使在每個磁軌上有一個初始物理扇區號S0，該扇區也不會用來標識磁軌上的簇的起始。當將包含邏輯塊B0...B7的AV數據簇寫入到空磁軌上時，將第一數據塊B0寫入到R/W磁頭102所遇到的第一物理扇區，從而最小化了在R/W磁頭必須等待索引或特定物理扇區的情況下會出現的旋轉等待時間。
當寫入操作開始時，使R/W磁頭102移動到預先被控制邏輯142識別為具有自由空間的磁軌的數據磁軌。對目標磁軌的這種「查找」是通過磁頭102從磁碟中讀取預記錄的伺服定位信息，並由磁頭讀寫處理器140給伺服控制器141發信號以使促動器懸臂101移動所要求的方向和距離來進行的。在這個查找操作進行期間，來自AV數據源(例如，數字TV，DVR)的數據流被傳送通過接口控制器144，通過控制邏輯142被組織成數據簇並且被裝載進緩衝存儲器143。
緩衝器143用來保存從AV數據源145接收的寫入數據。通常，緩衝器143的空間大於1簇。主數據流(host data stream)通常以一組具有起始地址和長度的數據塊的形式被傳送。在一些流系統中，例如基於對象或文件的流中，命令由對象標識符、數據組(dataset)、偏移地址和長度構成，起始地址是所標識的目標的基地址和偏移地址的和。從起始地址確定在緩衝器143中用來存儲數據塊的位置。由於將數據寫入到磁碟上的空簇上，所以簇是從通常包含在自由空間表中的標識為空的簇組中選擇的。當存在多個數據流時，主機應該，比如通過利用目標標識符來標識數據所屬的數據流。
優選在簇邊界上開始一個數據流，並且順序將進一步的數據放在這些簇中。當使磁頭102定位並且穩定下來以進行寫入時，將簇的第一塊B0寫入所遇到的第一物理扇區，在圖1和2中示為S6。這個扇區S6現在變為簇的第一扇區。剩下的簇數據塊B1...B6然後被順序寫入到物理扇區S7和S0...S5(圖2顯示出塊B7還沒有被寫入，因為物理扇區S5還沒有在磁頭102下通過)直到將完整的簇寫入到該全磁軌中。
圖3顯示出在本發明中的基本寫入操作。該過程中的初始步驟涉及設置磁碟驅動器以便傳送來自AV數據源的數據。標為n的對簇的讀取或寫入命令對標號為0-m-1的數據塊的簇(在圖2中所述和所示的實施例中，m＝8)進行操作，如200所示。控制邏輯142計算出對於簇n(202)而言在磁碟驅動器上的磁軌(c，h)。(由於大多數磁碟驅動器具有多個磁碟，並具有與特定磁碟表面相關的R/W磁頭，所以磁頭被標識為「h」，與那個磁頭相關的磁軌被標識為柱面「c」，表示排列成「圓柱體」的磁碟疊上的所有磁軌)。然後指令該驅動器查找該磁軌(204)。
伺服控制器141和控制邏輯142識別出所遇到的第一物理扇區以及該簇的第一塊對於該磁軌(206)將被存儲的位置。然後，將第一塊B0寫入到所遇到的第一物理扇區(在圖2的實施例中為S6)，並且將該簇中隨後的數據塊寫入到後續的物理扇區(208)中。隨後剩餘磁軌(210，212)也一樣依次進行，直到完全寫完該簇(214)。沒有顯示出的是更新驅動器的內部表(包括作為簇起始的物理扇區的位置)以使得以後能夠進行數據查找和空簇的識別的過程。在一個實施方案中，因為每個數據塊(B0...B7)的標識被寫入到數據塊所處的物理扇區中，所以可以識別出簇的起始扇區。
可以使用任何類型的文件系統或自由空間管理器來注意空簇，並且自由空間的位置對於控制邏輯142而言是已知的。例如，傳統的基於文件分配表(FAT)的系統通常採用其大小是磁軌尺寸的倍數的簇尺寸。對於具有分區記錄結構(zoned-recording architecture)的磁碟驅動器而言，磁軌容量，從而簇尺寸，將根據區而變化。因此在分區驅動器中，這將需要調節存儲單元尺寸(例如，在一個區中每個簇具有250個數據塊/物理扇區，在另一個區中每個簇具有240數據塊/物理扇區)。
當AV數據流包含多個簇時，則使寫入動作按一系列單獨的單簇寫入進行，但是優選寫入到一系列鄰近或相鄰磁軌上。不正好是一個簇長度的數據寫入被上捨入為一整個簇長度。
通過向磁頭穩定到所要求的磁軌上後從寫磁頭下通過的第一物理扇區寫入簇，本發明提供了在使用交錯存儲的情況下很顯著的優點。在交錯存儲期間，多個記錄和/或回放任務之間循環，直到完成所有任務。當記錄數據時，在每個循環的開始，數據的下一個部分再次被寫入到第一可用扇區上，而不用等待索引。例如，在DVR中，可以同時記錄兩個視頻流。
在圖4A-4B中圖解了其優點，該圖顯示出一組磁軌，不同的任務與這些磁軌相關，在一個例子中，在一簇中具有256個數據塊(B0...B255)。在圖4A中顯示出在現有技術FBA中的兩個交錯存儲簇寫入的順序，在圖4B中顯示出本發明的無索引格式。首先在圖4A中考察一個兩簇寫入，可以看出驅動器在將第一簇的第一邏輯數據塊B0寫入到在磁軌2中在索引(S0)之後的第一物理扇區之前必須等待索引扇區411來到磁頭之下。以虛線412顯示出這個沒有被利用的時間(查找時間和旋轉等待時間)。在驅動器結束寫入第一簇之後將有進一步的等待時間，然後從磁軌2查找到磁軌5以在那裡寫入第二簇，因為需要再次等待索引411。以虛線413顯示出這個未被利用的時間。在圖4B的新的無索引格式中，磁頭能夠在將磁頭穩定到磁軌2上後立即就開始將第一數據塊B0寫入到一個新扇區上。該扇區示為物理扇區S2。而且，將第二簇寫入到在磁軌5所碰到的第一物理扇區(扇區S6)消除了第二等待時間。在完成寫入第一交錯存儲簇和開始寫入第二交錯存儲簇之間，僅有的延遲是查找和穩定到新的磁軌所用的時間，如虛線414所示。而圖4A的現有技術方案需要4圈磁碟旋轉(2圈用來寫入全磁軌簇，2圈用來等待索引)來完成交錯存儲任務，圖4B的無索引方案需要2-3圈轉動(2圈用來寫入完整磁軌簇，而不到1圈的旋轉用來查找磁軌)。另外，如果在磁軌2和磁軌5處的數據簇不是被交錯存儲而是來自相同的AV數據流的話，則當回讀該數據流時，已經最佳地配置了磁軌偏移(track skew)(即，磁頭在從磁軌2查找至磁軌5之後可以立即讀取)。這減少了讀取延遲。
在上述的優選實施方案中，物理扇區具有地址號，因此在磁頭從查找狀態穩定下來之後所遇到的第一扇區的扇區號被讀取出並且與邏輯數據塊B0相關聯。還有其它方法來寫入到所遇到的第一扇區並且將那個扇區標識為所記錄的簇的起始。這可以通過許多方式來完成*將塊號(B0...B255)寫入到這些物理扇區中，*將簇標記的起始寫在該磁軌上(例如，在其中一個物理扇區內)，*將簇起始位置存儲在存儲器中，並且將該信息存儲在驅動器上的特定位置中(例如，作為部分自由空間或文件位置信息)。
淨效應是對於寫入操作而言消除去了旋轉等待時間，並且一旦磁頭穩定到磁軌上，則所有寫入只需要磁碟旋轉一圈就能完成。對於記錄多簇數據時所需要的磁軌到磁軌的查找和磁頭切換而言，本發明是優選的，因為在新磁軌上所碰到的第一扇區就是寫入繼續的扇區，從而不用等待索引或預定偏移(skew)。
讀取操作沒有受到影響，仍然是零等待時間操作。在讀取操作期間，在查找之後所碰到的第一物理扇區將是隨機。因此，在寫入操作中引入的隨機化將沒有任何淨效應。當磁頭到達磁軌上時，它開始讀取它們所遇到的扇區。對於需要按序進行數據傳送的主機系統而言，一旦讀到第一簇扇區就可以將數據輸送給主機。
本發明的一個重要特徵在於，能夠增加磁軌上的奇偶校驗扇區，而不會損失讀取/修改/寫入性能。IBM的美國專利5737344披露了在數據磁軌上使用奇偶校驗扇區以便保護數據扇區。在本發明中，因為數據以全磁軌簇增量被寫入，所以可以在傳輸中(在線，on-the-fly)計算奇偶校驗扇區，且不會產生顯著的性能衝擊。另外，因為現在可以通過奇偶校驗覆蓋一個或多個完整扇區的丟失，所以可以取消數據扇區上的二級糾錯碼(ECC)以及每個扇區上的其它開銷(overhead)例如雙同步(dual sync)。由於磁軌通常具有200個以上的扇區，所以每個磁軌增加2個奇偶校驗扇區在容量方面會有1％的損失，這比通過取消二級ECC(每次交錯每字節1.2％)和雙同步(4-5％)所補償的要大。沒有通過一級ECC校正或不能同步的任何扇區由奇偶校驗扇區在傳輸中(在線，on-the-fly)進行校正。
圖5A顯示出現有技術FBA結構的ECC方案，而圖5B顯示出本發明的AV簇結構的ECC。在FBA系統(圖5A)中，可以單獨地訪問每個物理扇區501-504，因此每個扇區必須由二級ECC(相應為511-514)保護以確保數據完整性。在本發明的簇結構(圖5B)中，即使將簇寫入到相鄰物理扇區601-604，也可以在這些簇中對數據進行處理。因此，ECC扇區611可以應用在整個簇上，從而使得各個扇區601-604不會受到二級ECC的阻礙。ECC扇區611將覆蓋扇區601-604中任何一個的數據丟失。
當前硬碟通常被規定對於每1013比特讀取而言具有大約為1比特錯誤的硬錯誤率(10-13的錯誤率)。在本發明的簇結構中，假設原始壞扇區率(沒有同步或一級ECC無效)為10-5，並且每200個數據扇區具有2個奇偶校驗扇區，則具有未校正的扇區的磁軌的概率為10-9。這對應於輸送給主機的硬比特錯誤率10-17。因此，本發明明顯比當前磁碟驅動器更加可靠。
當數據扇區具有一級ECC不能校正的錯誤(扇區循環冗餘校驗無效)，或者如果不能讀出同步信息，則在將數據輸送給主機之前將校正該丟失的扇區。一旦已經讀取了在奇偶校驗組(parity group)中的所有數據扇區，則可以在無需重新讀取該數據的情況下重新構建2個以下的壞扇區。另外，由於錯誤的位置對於驅動器而言是已知的(它們在技術上被稱為「消失錯誤」(疑符，erasure))，所以重新構建過程可以在讀取該磁軌結束之後在大致一個扇區時間內完成。這將提供優於當前錯誤恢復程序例如重試和軟體ECC校正的相當大的性能優勢。這種性能對於實時流式數據流而言是至關重要的。
對奇偶校驗信息編碼具有各種方案。兩個優選的方案是裡德-索羅蒙Reed-Solomon(RS)碼和奇-偶碼。RS碼基本上類似於一級ECC。用在奇偶校驗計算中的扇區數目被稱為奇偶校驗組。如果每個奇偶校驗組的扇區數目被限制為255，則可以使用具有兩個檢驗符號(象數據扇區中的一個交錯)的8位符號尺寸來作為ECC以填充2個奇偶扇區。這將校正一個奇偶校驗組中的任意兩個壞扇區。奇偶碼採用行和對角奇偶方案來形成2個奇偶扇區，這可以校正在一個奇偶校驗組中的任意兩個壞扇區。這兩個方案都可以擴展到任意奇偶校驗組尺寸和壞扇區數目。
在分區驅動器中，每個磁軌的物理扇區數目在各區域之間是不同的；因此在一個奇偶組中的數據扇區的數目也可以變化。另外，在一個磁軌上可以有一個以上的奇偶校驗組。例如，如果在一個磁軌上具有400個數據扇區，則最好使用2個奇偶校驗組來限制每個奇偶校驗扇區的數據扇區數目。這將導致簇尺寸和奇偶校驗組尺寸不同。由於缺陷管理(標出磁軌上的缺陷扇區)，在簇尺寸上也可以有不同。
為對本發明進行性能測試，使用採用零等待時間寫入方案的外部文件系統來作為進行比較的基準，給其分配一個100％的性能數值。在基準系統中，零等待時間寫入不會改變索引扇區在磁軌上的位置，因此將塊Bn寫入到扇區Sn上，但是可以無序地寫入這些扇區。數據寫入可以在緩衝器包含數據塊Bn時並且磁頭位於Sn上時開始。如果當磁頭已穩定到磁軌上時用於數據磁軌的所有塊處於緩衝存儲器中的話，則零等待時間寫入只需要旋轉一周就可以完成，但是如果在磁頭已穩定時還沒有接收到一些數據塊的話，則需要轉動一圈以上。由於最糟糕情況下的性能在AV環境中尤為重要，所以操作被限定為一個全數據帶或區域查找加上完成一個全磁軌扇區的寫入的時間。上述本發明的格式是基準性能的115-135％，這意味著它在進行寫入操作時快15-35％。如果將簇尺寸選擇為3個全磁軌，則性能提高為179-211％。雖然更大的簇尺寸對於處理能力具有很大的影響，但是它需要按比例增大的緩衝器。
雖然已經參照優選實施方案對本發明進行具體顯示和說明，但是本領域普通技術人員應該理解的是，在不脫離本發明的精神、範圍和教導的情況下可以在形式和細節上作出各種變化。因此，所披露的發明主要應該被認為是舉例說明，並且其範圍應該由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種用於從主機將數據寫入到磁碟驅動器的方法，該磁碟驅動器具有用來寫數據的磁頭和具有多個數據磁軌的磁碟，每個數據磁軌具有多個物理扇區，該方法包括接收來自主機的數據流；將該數據流組織成多個數據簇，每個簇具有多個數據塊，其中在一個簇中的數據塊的數目等於在一個磁軌中的扇區數目的整數倍；將磁頭定位到將要開始寫入數據流的磁軌上；將第一簇的第一數據塊寫入到磁頭穩定到所述磁軌上之後該磁頭所碰到的第一物理扇區上；並且將該第一簇的隨後數據塊寫入到該磁頭所碰到的後續物理扇區上。
2.如權利要求1所述的方法，還包括，在寫入第一簇之後，將該磁頭定位到第二磁軌上，將第二簇的第一數據塊寫入到磁頭穩定到所述第二磁軌上之後該磁頭所碰到的第一物理扇區上，並且將第二簇的隨後數據塊寫入到該磁頭所碰到的後續物理扇區上。
3.如權利要求1所述的方法，還包括存儲至少一個數據塊的物理扇區位置。
4.如權利要求3所述的方法，其中存儲位置信息包括將數據塊號寫入到寫入該數據塊的物理扇區中。
5.如權利要求3所述的方法，其中存儲位置信息包括在寫入該簇的磁軌上寫入簇標記的起始。
6.如權利要求1所述的方法，其中，在每簇中的至少一個數據塊包含糾錯信息，其中，將數據流組織為多個數據簇包括從每個所述簇中的一組數據塊計算出每簇的糾錯信息。
7.如權利要求6所述的方法，其中計算糾錯信息包括計算奇偶校驗信息。
8.如權利要求6所述的方法，其中計算糾錯信息包括計算裡德-索羅蒙糾錯碼。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述整數倍數為1，由此將在第一簇中的所有數據塊寫入到同一磁軌中的物理扇區上。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述整數倍數至少為2，並且其中將隨後數據塊寫入到後續物理扇區上包括進行寫入直到在第一磁軌中的物理扇區已經被填滿，然後將該磁頭定位到相鄰磁軌上並且向所述相鄰磁軌中的相繼的物理扇區上寫入，直到第一簇中的所有數據塊被寫入。
11.如權利要求1所述的方法，其中所述主機是一種音頻視頻系統，並且其中數據流是音頻視頻數據流。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述音頻視頻數據流是一種交錯數據流。
全文摘要
將流式音頻視頻數據寫入磁碟驅動器的方法將數據組織為簇，並在讀/寫磁頭穩定到旋轉磁碟目標磁軌上後開始將簇寫入碰到的第一物理扇區。一簇所含數據塊數與盤上整數個磁軌中的物理扇區數相應，故寫入單個簇是寫磁碟上整數個全磁軌。即使驅動器可有識別所有磁軌第一物理扇區的物理索引，簇數據寫入也可不管索引位置。在音頻視頻數據交錯存儲，循環多個記錄任務直到完成所有任務時，在第一交錯期間寫入第一任務的第一部分的簇，然後將磁頭定位到另一磁軌，在下一交錯期間寫入第二任務的第一部分的簇從磁頭碰到的第一物理扇區開始，無需等待索引。將塊號寫入物理扇區或在寫入該簇的磁軌上寫入簇標記的起始來標識寫入簇數據的第一塊的位置。
文檔編號H04N5/781GK1503225SQ0315496
公開日2004年6月9日 申請日期2003年8月19日 優先權日2002年8月23日
發明者史蒂文·R·赫茲勒, 丹尼爾·F·史密斯, F 史密斯, 史蒂文 R 赫茲勒 申請人:日立環球儲存科技荷蘭有限公司