存儲設備的高速緩衝存儲器管理的製作方法
2023-04-23 10:02:21 3
專利名稱：存儲設備的高速緩衝存儲器管理的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括存儲介質及其相關的高速緩衝存儲器的設備，所述存儲介質用於由與文件系統管理裝置相關的主機設備通過高速緩衝存儲器，在讀取模式或寫入模式下對其進行訪問。
背景技術：
大多數存儲設備配置有高速緩衝存儲器，以便提高驅動性能。
在存儲設備中的高速緩衝存儲器的管理是對提高系統性能的巨大挑戰，特別是在必須保持不變的比特速率的情況下。當存儲設備用於存儲視頻數據時，這尤為重要。
在已知的系統中，由與存儲介質自身相關的控制器或固件來管理在所有存儲設備中所包括的高速緩衝存儲器。這樣的固件控制高速緩衝存儲器訪問和存儲介質訪問，並且高速緩衝存儲器的預取基於由主機設備所進行的最後訪問。
當存儲介質不知道存儲介質上的數據結構時，使用基於由主機設備所進行的最後訪問的高速緩衝存儲器預取相當地減少了高速緩衝存儲器命中的機會。即，利用對由主機所進行的最後訪問的統計，來進行在已知系統中的高速緩衝存儲器預取。因此，為了得到更好的高速緩衝存儲器命中的比例，迫使設計者提供大量的高速緩衝存儲器以符合該統計。增加高速緩衝存儲器的尺寸來增加高速緩衝存儲器命中的可能性是較昂貴的，並且特別不適合於嵌入式設備。
而且，在對存儲介質進行寫訪問期間，特別是當要存儲的數據是連續的比特流，例如同步數據時，通常需要在存儲介質的輸入端提供高容量的緩衝存儲器，以保持高比特率。使用這樣的緩衝存儲器相當大地增加了設備的成本。
發明內容
本發明提出了一種包括存儲介質及其相關的高速緩衝存儲器的設備，所述存儲介質設計用於由與文件系統管理裝置相關的主機設備通過高速緩衝存儲器，在讀取模式下或寫入模式下對其進行訪問。
根據本發明，在文件系統管理裝置的控制下，加載所述高速緩衝存儲器。
發明人已經發現了對實現高速緩衝存儲器預取命令的特別關注，所述高速緩衝存儲器預取命令將指示管理存儲介質的固件實現在給定地址處的高速緩衝存儲器預取。在讀取模式下，如果所請求的文件包括視頻數據，則可以將視頻數據存儲在幾個分區上。文件系統知道該結構或存儲碎片，因此，可以提供文件的其餘部分所位於的下一個分區的地址。因此，可以減少高速緩衝存儲器的尺寸，而不會降低高速緩衝存儲器命中的可能性。
該高速緩衝存儲器預取是一種與由存儲介質而不是由文件系統所控制的傳統預取所進行的、並且基於最近的訪問而不是基於數據在盤上的真正位置的統計預取相反的認知預取。
根據本發明的實施例，與主機設備相關的文件系統管理裝置控制在讀取模式下的訪問期間的高速緩衝存儲器預取。
在已知的系統中，由與存儲介質相關的固件來管理高速緩衝存儲器預取，並且未定義任何外部動作。該實施例使文件系統管理器作用於高速緩衝存儲器加載，以便修改該高速緩衝存儲器的行為。
根據本發明的實施例，在讀取訪問期間，文件系統管理裝置包括向高速緩衝存儲器發送預取命令的裝置，以便將由主機設備所請求的數據從存儲介質下載到高速緩衝存儲器。
根據本發明的實施例，所述預取命令包括用於指示要在高速緩衝存儲器中預取的下一個數據在存儲介質上的地址的裝置。
根據本發明的實施例，所述存儲設備包括符合串行先進技術附加標準或符合併行先進技術附加標準的接口。
所述串行先進技術附加標準(SATA)接口將帶來作為高等級協議的主要好處，特別是與並行先進技術附加標準(PATA)接口相比。
根據本發明的實施例，所述存儲設備包括用於將預取命令封裝在串行先進技術附加接口中所定義的幀信息結構欄位中的裝置。
在SATA環境中定義了幀信息結構。為了符合SATA標準，本發明人已經發現本發明特別適合於在傳輸層中對API進行封裝，因此，提出了使用用於發送遠程過程調用的FIS。
根據本發明的實施例，在寫入模式下的訪問期間，文件系統管理裝置包括用於向存儲介質發送寫入高速緩衝存儲器命令的裝置，以便將要存儲在存儲介質中的數據首先存儲在高速緩衝存儲器上，並且當高速緩衝存儲器的填充已經達到預定水平時，將數據從高速緩衝存儲器傳送到存儲介質。
本發明還涉及一種多媒體設備，優選地為數位電視解碼器，其特徵在於所述多媒體設備包括根據本發明任一個實施例的存儲設備。
儘管基於統計的該高速緩衝存儲器的預取的廣泛使用，但是，本發明人已經發現將高速緩衝存儲器預取基於所要進行的實際訪問尤為有意義。
藉助於附圖，通過將示出的本發明的非限定性實施例的描述，本發明的其他特徵和優點將出現。其中，圖1示出了表示本發明實施例的系統的方框圖；圖2示出了由文件系統預取的高速緩衝存儲器的實施例；圖3示出了從存儲介質到高速緩衝存儲器的數據傳送的實施例；圖4示出了從緩衝存儲器到主機設備的數據傳送的實施例；圖5示出了表示本發明另一實施例的系統的方框圖；圖6示出了由主機設備進行的高速緩衝存儲器寫入的實施例；圖7示出了在寫入高速緩衝存儲器命令期間所實現的數據流的實施例。
具體實施例方式
當前的實施例基於符合在文件「serial ATA，revision 1.0，29August 2001」中定義的串行先進技術附加(SATA)標準的接口裝置。SATA傳輸ATA協議。本實施例還涉及在記錄介質上的視頻數據的存儲，並且在本實施例中，存儲介質是硬碟，但是能夠是其他任何類型的存儲介質。本發明當然不局限於視頻數據類型，而是還可以涉及音頻或任何信息數據。採用視頻數據類型作為視頻數據請求高帶寬和持續不變的比特率的實施例。
圖1示出了實現本發明的系統。
包括存儲應用程式16的主機設備15與SATA接口14相連，所述SATA接口14與和控制器18相關的存儲設備11和緩衝器17相連。SATA接口可以由並行ATA接口、或者適合於訪問存儲設備的其他任何接口替代。緩衝器17與視頻輸出19相連。視頻輸出19可以是對電視機或能夠接收或處理視頻數據類型的其他任何裝置的外部連接。
存儲設備11至少包括硬碟12和高速緩衝存儲器13。主機CPU通過SATA接口14對硬碟12進行訪問。
主機設備15是基於處理器的設備，即，能夠驅動存儲應用程式16的設備。存儲應用程式16是軟體程序，例如加載在與處理器相關的存儲器中的軟體程序。
主機設備，或者更準確地，運行在主機處理器上的文件系統知道在硬碟12上的數據位置。文件系統管理裝置通過ATA接口發送命令，以便控制高速緩衝存儲器13。
高速緩衝存儲器預取和高速緩衝存儲器寫入命令按照如下所示定義。
利用ATA命令「設置特徵「的子命令來實現該命令，所述命令「設置特徵」命令的代碼為EF(按16進位)。
該子命令代碼為83H，並且根據下表來定義。
分區計數寄存器高速緩衝存儲器分段尺寸這裡定義的高速緩衝存儲器分段的尺寸。
分區號寄存器高速緩衝存儲器分段號高速緩衝存儲器的分段的階數柱面低寄存器-比特(0)W/R針對寫入高速緩衝存儲器分段設置為0，針對讀取高速緩衝存儲器分段設置為1設備/頭寄存器-比特(4)DEV將表示所選擇的設備圖2示出了根據本發明實施例的高速緩衝存儲器預取。
由文件系統來管理高速緩衝存儲器預取。
文件系統通常位於離主機設備較近的位置，即，在如圖1所示的SATA接口的前面，但是也可以位於如圖3所示的SATA接口的後面。
文件系統負責管理硬碟上的文件結構，因此，知道在硬碟上的數據位置。
在本發明的一個實施例中，文件系統是特別適合於視頻數據和信息數據的公共存儲器的多媒體文件系統。
這樣的專用於在相同的記錄介質上存儲視頻數據和信息數據的多媒體文件系統的特徵在於用於存儲音頻和/或視頻流的第一類型的存儲單元、以及用於存儲非流數據的第二類型的存儲單元。其中，第一存儲單元的尺寸是第二存儲單元尺寸的倍數。第一類型的單元或者針對流存儲而分配，或者為了存儲非流數據，將其分割為多個第二類型的單元。
在該文件系統的一個實施例中，針對這兩種類型的存儲單元和兩種類型的文件，只存在一個目錄樹。
存儲設備11可以按照高效的方式來存儲信息數據(非流數據)或音頻/視頻數據(流數據)，避免了硬碟12的存儲碎片，而不需定義針對信息數據的固定區域和針對音頻/視頻數據的固定區域。
有利地，分割為多個第二類型的單元的第一類型的單元可以根據所有這些第二類型單元的可用性並根據要存儲的數據的類型，不再分割為多個第二類型的單元。
帶寬是數據突發傳送的尺寸的函數，使用越少的時間來尋找硬碟驅動分區，則帶寬越高。因此，通過根據要存儲的數據類型管理硬碟12的多媒體文件系統限制了分區搜索，因此，減少了訪問時間，從而增加了持續不變的比特率。
然後，硬碟可以與要存儲的數據類型一致，並且可以使其佔用最優。當僅存在大尺寸的文件要存儲時，這樣可以改善硬碟12的存儲碎片。在較大的塊中存儲這些文件，而當存在大量的小文件要存儲時，只要需要，則按照較小尺寸的塊對大尺寸的塊進行分割。
由於可以相當大地減少文件存儲碎片，使用諸如多媒體文件系統的文件系統可以極大地改善對數據的訪問時間。
優選地，至少一個第一數據結構表示至少針對每一個第一類型的單元，該單元是否為空閒的，以及是否按照多個第二類型的存儲單元來分割該單元。
當主機想要從硬碟12中讀取數據時，其向硬碟12發送預取命令。預取命令定義為由ATA協議所支持的新命令。
預取命令向存儲設備11提供指令，以便將隨後要由存儲應用程式16讀取的數據加載到高速緩衝存儲器13中。即，當存儲應用程式存儲視頻數據時，由於其通常表現為極大量的數據，這些視頻數據請求幾個盤分區對其進行存儲。如圖2所示，分別將這些數據存儲在A、C、D、E和F上。利用傳統的預取(預測預取)，根據統計，高速緩衝存儲器將加載分區A、B、C、D、E，因此，不將提供100％的高速緩衝存儲器命中。由於高速緩衝存儲器預取命令指示高速緩衝存儲器13從硬碟加載要有效讀取的隨後的數據，因此，本發明的該實施例提供了100％的高速緩衝存儲器命中。
而且，由於其優化了硬碟的使用，使用如上所述的多媒體文件系統增加了高速緩衝存儲器預取的效率。
圖3示出了從存儲介質到高速緩衝存儲器的數據傳送的實施例。
在步驟F1，對分區號進行初始化，其提供了在硬碟介質上的數據位置。在步驟F2，由主機對分區號寄存器和分區計數寄存器進行設置。分區計數值具有與目標高速緩衝存儲器的分段尺寸相同的值。在步驟F3，由主機發布高速緩衝存儲器預取或加載高速緩衝存儲器命令，以便要求設備從存儲介質向高速緩衝存儲器傳送數據。在步驟F4上，將數據從硬碟介質傳送到高速緩衝存儲器。
圖4示出了從高速緩衝存儲器到主機設備的數據傳送的實施例。
在步驟G1，對分區號進行初始化。該值與源高速緩衝存儲器分段的第一分區號相同。該條件確保了由認知的數據預取所期望的高速緩衝存儲器命中。在步驟G2，設置分區號寄存器和分區計數寄存器，所述分區計數值具有與源高速緩衝存儲器的分段尺寸相同的值。
在步驟G3，由主機發布標準ATA命令讀取UDMA。由於數據已經存在於高速緩衝存儲器中，因此訪問是瞬時的。在步驟G4，執行ATA命令，並且將數據通過ATA接口從存儲設備傳送到主機設備。
圖5示出了其中實現了本發明的實施例的另一系統。
圖5示出了根據本發明實施例的主機設備1和存儲設備2，並且提供了主機設備和存儲設備的功能描述。主機設備包括存儲應用程式3、接口4、視頻源9和視頻輸出10。
存儲設備2包括接口5、多媒體文件系統6、固件程序7和硬碟組件8。硬碟組件8至少包括存儲介質和高速緩衝存儲器，所述存儲介質在給定實施例中為硬碟。
對於嵌入式系統的設計者，當接口使主機能夠通過向文件系統裝置發送遠程調用過程來訪問存儲裝置時，提供包括文件系統的存儲設備是非常方便的。因此，通過傳送過程調用，將存儲設備作為通過簡單接口控制的自主實體來提供，因而不要求設計者的額外工作。這使設計者能夠獲得硬碟驅動器的好處，而無需在本領域的專門技術。
優選地，所述接口包括應用程式編程接口，能夠使存儲設備的控制更容易。
將存儲設備2設置為獨立的、高度集成的存儲設備，其中，嵌入了管理文件和硬碟組件控制器的所有軟體。
硬碟介質8用於存儲來自視頻源9的視頻數據、或者提供給存儲應用程式3的被稱為視頻數據或信息數據的其他任何數據。視頻源9可以是諸如廣播程序的任何類型的源，並且可以是根據MPEG-2或MPEG-4標準編碼的流。該硬碟還由存儲應用程式讀取，以便向視頻輸出10提供數據。視頻輸出10可以是對電視機或能夠接收或處理視頻數據類型的其他任何裝置的外部連接。
主機設備1可以讀取或存儲在硬碟驅動器8上的數據(信息數據或視頻數據)。該主機設備1可以由視頻輸出10所請求的硬碟驅動器8上的數據、或者向硬碟驅動器8發送來自視頻源9的數據。
當主機設備1想要將數據存儲在硬碟驅動器8上時，存儲應用程式3通過主機設備1的接口4和存儲設備2的接口5，向存儲設備2的多媒體文件系統6發送調用命令。
存儲應用程式3從視頻源9中接收該視頻流。該存儲應用程式必須將視頻流存儲在硬碟驅動器8上。
接口4和接口5具有相同的類型以能夠實現主機設備和存儲設備之間的通信。如上所述，在本實施例中，這些接口符合串行先進技術附加(SATA)標準。
SATA接口定義了三層物理層、鏈路層和傳輸層。
物理層是串行類型的接口。SATA接口可以為消費市場提供高集成和高速度的接口。諸如並行先進技術附加(PATA)的其他接口類型也可以提供高速接口，但是與SATA接口相比，提供了較小的集成功能。對SATA接口進行設計，以使其與PATA接口是透明的。
在本發明的另一實施例中，由於SATA對於PATA而言是軟體透明的，因此，可以在存儲設備上特別是在PATA和SATA上實現幾種類型的接口。
鏈路層對幀進行封裝和傳送。
鏈路層傳送和接收幀，傳送基於來自傳輸層的控制信號的原語，並且接收來自物理層的原語，將所述原語轉換為去往傳輸層的控制信號。鏈路層不需要知道幀中的內容。
傳輸層構造針對傳輸的幀信息結構(FIS)，並分解接收到的FIS。主機和存儲設備的傳輸層的不同在於FIS的內容的源是不同的。
在給定的實施例中，主機設備1和存儲設備2是物理上獨立的。
根據本實施例的一個變體，例如，存儲設備2和主機設備1可以在相同的印刷電路板上由連接器在物理上進行分離。
接口4和接口5是能夠將來自主機設備1的遠程調用過程傳送到存儲設備2的接口裝置。
接口4包括表示應用程式編程接口的API。API實現了主機設備1和存儲設備2之間的過程調用。
為了符合SATA標準，本發明人已經發現了本發明特別適合於在傳輸層中封裝API。
將API定義為新的FIS類別。該FIS提供了API過程調用的結構描述。
在存儲設備1上的接口5對接收到的FIS進行分解。
即，該接口5從API FIS中提取API，以便向多媒體文件系統6傳送API。
通過API來控制多媒體文件系統6，所述API主要能夠實現主機設備1和存儲設備2之間的過程調用的傳送。
多媒體文件系統6通過固件模塊7來訪問硬碟驅動器。固件模塊7管理對硬碟8的低等級訪問。
固件模塊7、多媒體文件系統6和硬碟驅動器8非常近，並可以進行交互。
硬碟驅動器8包括作為標準硬碟驅動器的高速緩衝存儲器。使用高速緩衝存儲器是對主要在多個訪問期間缺少持續不變的帶寬的硬碟驅動器8進行平衡的裝置。
圖6示出了用於說明寫入高速緩衝存儲器命令的本發明的實施例。
數字TV源20通過鏈路28與緩衝器22相連。緩衝器22通過SATA接口23與存儲設備24相連。存儲設備24包括硬碟26和高速緩衝存儲器25。鏈路27是連接主機設備21和緩衝存儲器22的數據總線。
在本實施例中，傳送模式是在100MB/S的SATA UDMA(表示「超直接模式訪問」)模式5，因此，可以保持AV應用程式。
數字TV源提供了具有包括每188個字節的分組的、比特率為0.25MB/S(兆字節每秒)到4MB/S的視頻數據。
主機設備通過如在圖1上所描述的那樣，通過發送命令來控制SATA接口。
當視頻數據以高比特率來自數字TV源20時，將視頻數據通過緩衝器22傳送到SATA接口。
可能需要較小的緩衝器22(512個字節)來調整輸入流和高速緩衝存儲器寫入之間的比特速率。
由於寫入高速緩衝存儲器命令，主機設備可以實現從數字TV源20到硬碟26的視頻數據的直接傳送。
主機對分區號、分區計數進行設置，以符合SATA過程。
主機通過使用寫入高速緩衝存儲器命令，一次性向高速緩衝存儲器寫入一個512個字節的塊。當寫入256個塊時，在硬碟上由主機設備21預先設置的位置上寫入128KB的數據。從高速緩衝存儲器25到硬碟26的該傳送是自動的，並且通過緩衝存儲器25的填充電平來觸發。
圖7示出了在寫入高速緩衝存儲器命令期間所實現的數據流的實施例。
在步驟E1中，由文件系統管理裝置對其中將要在硬碟上存儲數據的分區號進行初始化。
然後，在步驟E2，將命令發送到固件，以向固件指示其中要存儲數據的分區號。還設置被稱為分區計數的計數器。這避免了在每次傳送時指示分區號。針對隨後數據塊的分區號將是向其中添加分區計數的值的第一分區的號。
然後，將數據傳送到緩衝器(例如，在圖4中的緩衝器22)，直到緩衝器滿了為止。當緩衝器裝滿時，文件系統向固件發送寫入高速緩衝存儲器命令(步驟E4)。寫入高速緩衝存儲器命令表示向高速緩衝存儲器的數據傳送。當高速緩衝存儲器分段裝滿時，或者當其已經達到預定的水平時，在步驟E7，將數據傳送到存儲介質上。例如，當寫入了256個塊時，在存儲介質上由文件系統預先設置的位置上，寫入128KB的數據。該操作可以是自動的，由高速緩衝存儲器的填充水平來觸發。
如果在高速緩衝存儲器中所加載的數據量大於分區的尺寸，因此，在步驟E6，還遞增分區號。
寫入高速緩衝存儲器命令允許主機將數據寫入到高速緩衝存儲器中，而不將數據寫在存儲介質自身上。
由於ATA協議的高速度，主機和硬碟驅動器之間的數據傳送可以非常短。
權利要求
1.包括存儲介質(8，12，25)及其相關的高速緩衝存儲器(13，26)的設備(2，11)，所述存儲介質(8，12，25)用於由與文件系統管理裝置(6)相關的主機設備(1，15，21)通過高速緩衝存儲器(13，26)，在讀取模式或寫入模式下對其進行訪問，其特徵在於在文件系統管理裝置(6)的控制下，加載高速緩衝存儲器(13，26)。
2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於與主機設備(1，15，21)相關的所述文件系統管理裝置(6)控制在讀取模式下的訪問期間的高速緩衝存儲器預取。
3.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於在讀取訪問期間，文件系統管理裝置(6)包括向高速緩衝存儲器(13，26)發送預取命令的裝置，以便將由主機設備(1，15，21)所請求的數據從存儲介質(8，12，25)下載到高速緩衝存儲器(13，26)。
4.根據權利要求2或3的任一個所述的設備，其特徵在於所述預取命令包括用於指示要在高速緩衝存儲器(13，16)中預取的下一個數據在存儲介質(8，12，25)上的地址的裝置。
5.根據權利要求1到4的任一個所述的設備，其特徵在於所述設備包括符合串行先進技術附加標準或符合併行先進技術附加標準的接口(4，5，14，23)。
6.根據權利要求1到5的任一個所述的設備，其特徵在於所述設備包括用於將預取命令封裝在串行先進技術附加接口中所定義的幀信息結構欄位中的裝置。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於在寫入模式下的訪問期間，文件系統管理裝置(6)包括用於向存儲介質(8，12，25)發送寫入高速緩衝存儲器命令的裝置，以便將要存儲在存儲介質(8，12，25)中的數據首先存儲在高速緩衝存儲器(13，26)上，並且當高速緩衝存儲器(13，26)的填充已經達到預定水平時，將數據從高速緩衝存儲器(13，26)傳送到存儲介質(8，12，25)。
8.一種多媒體設備，優選地為數位電視解碼器，其特徵在於所述多媒體設備包括根據權利要求1到7任一個所述的設備(2，11)。
全文摘要
本發明涉及一種包括存儲介質(8，12，25)及其相關的高速緩衝存儲器(13，26)的設備(2，11)，所述存儲介質(8，12，25)用於由與文件系統管理裝置(6)相關的主機設備(1，15，21)通過高速高速緩衝存儲器(13，26)，在讀取模式或寫入模式下對其進行訪問，其特徵在於在文件系統管理裝置(6)的控制下，加載高速緩衝存儲器(13，26)。本發明應用於多媒體終端，特別是數位電視接收機或機頂盒。
文檔編號H04N5/91GK1602472SQ02824895
公開日2005年3月30日 申請日期2002年11月27日 優先權日2001年12月11日
發明者克洛德·沙佩爾, 讓-查理·吉耶莫, 讓·勒魯 申請人:湯姆森許可貿易公司