CN103729148A

CN103729148A - 一种具有raid功能的固态硬盘

Info

Publication number: CN103729148A
Application number: CN201310746661.4A
Authority: CN
Inventors: 骆建军; 楚传仁
Original assignee: SAGE MICROELECTRONICS Corp
Current assignee: SAGE MICROELECTRONICS Corp
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明提供一种固态硬盘（SSD），其包括一个SSD控制器，其通过接口连接主机以实现信息收发，所述SSD控制器包含一个嵌入RAID控制器；和多个非易失性存储模块(NVMs)，该模块连接SSD控制器，在嵌入RAID控制器的控制下，所述SSD控制器发起与NVMs间的信息收发和存储。

Description

一种具有RAID功能的固态硬盘

技术领域

本发明涉及计算机数据存储领域，尤其涉及一种具有RAID功能的固态硬盘。

背景技术

现有技术中，有关独立磁盘冗余阵列（redundant array of independentdisks，简称RAID）的体现形式多种多样。

[3]RAID是将多个磁盘驱动组件组织到一个逻辑单元的存储技术。根据冗余和性能的需求不同，数据可按不同等级（RAID level）在驱动器之间散布。

目前，RAID普遍用于计算机数据保护存储，通过多个物理驱动器对数据进行隔离和备份。RAID的一个应用实例是将存储器阵列作为一个虚拟驱动器，***作***读写和访问。不同的实现方案和架构是可靠性、可用性、性能和容量等主要性能指标的平衡，并用RAID加上数字来命名（比如RAID0，RAID1）。等级大于RAID0的RAID级别可以避免单个磁盘不可恢复的读错误而引起整个磁盘失败。

以RAID6为例，它针对数据块级别的条带化分布进行双奇偶校验，提供最多两个驱动故障的容错能力。在高可用的***中,这种能力让RAID组更实用。大容量驱动从单个驱动失败中恢复的时间加长，容错能力显得越发重要。单个驱动失败降低整个阵列的性能，直到这个失败的驱动被替换和相关数据得到重建。

一个RAID***由多个熟知的硬盘(Hard Disk Drive，简称HDD)和固态硬盘驱动（solid state drives，简称SSD）组成。HDD是以内置磁带为介质，以电机驱动的磁盘。SSD则由闪存组成。他们都有如SCSI（Small Computer SystemInterface，简称SCSI）、IDE（Integrated Device Electronics，简称IDE）、SATA（Serial Advanced Technology Attachment，简称SATA）、PCI（PeripheralComponent Interconnect，简称PCI）和PCIE（PCI-Express）的接口。

但是，独立的HDD和SSD使得RAID***功耗变大，体积增大。

因此，需要从功耗、价格和体积方面改进RAID***。

发明内容

介于上述需求，本发明的目的在于提供一种固态驱动器(SSD)，它具有一个包含嵌入RAID控制器的SSD控制器，和多个非易失性存储模块(NVMs)，所述多个非易失性存储模块(NVMs)连接SSD控制器。所述SSD控制器通过接口与主机连接以完成信息收发。进一步的，所述SSD控制器在嵌入RAID控制器的控制下，所述SSD控制器发起与NVMs间的信息收发和存储。简言之，在内嵌RAID控制器控制下，所述SSD控制器对NVMs进行存储和读取数据。

作为本发明的一个优选实施例，所述存储模块是安全数字卡（SD）。

作为本发明的一个优选实施例，所述存储模块是多媒体卡（MMC）。

作为本发明的一个优选实施例，所述存储模块是嵌入多媒体卡（eMMC）。

作为本发明的一个优选实施例，SD模块通过SD总线连接RAID控制器。

作为本发明的一个优选实施例，MMC模块通过MMC总线连接RAID控制器。

作为本发明的一个优选实施例，eMMC模块通过eMMC总线连接RAID控制器。

作为本发明的一个优选实施例，数据传输接口可以是SCSI、IDE、ATA、SATA、PCI、PCIE、SD、MMC、或eMMC。

作为本发明的一个优选实施例，RAID控制器的功能是多种RAID模式（级别）之一，所述RAID模式（级别）包括RAID1、RAID5和RAID6。

作为本发明的一个优选实施例，所述RAID控制器包含与多个存储模块相连的RAID控制逻辑。

作为本发明的一个优选实施例，RAID控制逻辑通过SD主机或MMC/eMMC主机与多个存储模块连接。

作为本发明的一个优选实施例，所述NVMs是NAND闪存或是NOR闪存。

作为本发明的一个优选实施例，NVMs是相变存储器（PCM）、铁电存储器（F-RAM）或磁阻存储器（MRAM）。

为进一步理解所述驱动器的实质和优点，下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1示出了本发明的RAIM***实例；

图2示出了本发明的图1中RAIM***中的RAID控制器实例；

图3(a)-3(c)分别示出了SD卡、eMMC模块和MMC卡示意图，上述模块都包含在RAIM***2中；

图4示出了本发明的另一个实例，该例中RAID控制器具有RAID5的功能。

图5示出了图4中每个模块24中的存储数据实例；

图6示出了本发明的的另一实例：在该实施例中，所述RAID控制器具有RAID1功能；

图7示出了图6中的独立SD模块1和SD模块2的数据存储实例；

图8示出了本发明的一个***实例；

图9示出了本发明的另一个***实例；

图10示出了本发明的再一个***实例。

具体实施方式

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明体现了冗余阵列独立模块（RAIM）的特色和原理，它有独立磁盘冗余阵列（RAID）的功能。但是，RAID由独立硬盘驱动（HDD）或是固态硬盘驱动（SSD）单元组成，RAIM则是由一组独立的存储模块：安全数据卡（SD）,多媒体卡（MMC）或内嵌MMC(eMMC)构成。RAIM的这些存储模块具有低功耗，性价比高和体积小的特点。

图1示出了一个本发明的一个实例RAID***2，其包括一个RAID控制器20、1到N个模块24，其中N是整数。RAID控制器20通过总线23连接每一个模块24。另外，RAID控制器还通过接口21连接主机。

每一个模块24可以是安全数据卡（SD），多媒体卡（MMC）或嵌入MMC（eMMC）。在一个具体的实施例中，所述总线23是SD总线，MMC总线，或eMMC总线，模块24的类型决定于相匹配的总线。类似的，接口21是SCSI，IDE，ATA，SATA，PCI，PCIE，SD，MMC或eMMC接口。

***运行过程中，RAIM***2的RAID控制器20与主机1间相互进行信息收发。信息的接收以命令和数据的形式，数据将通过RAID控制器20存储在模块24中。业内数据显示，RAID控制器20能高效地管理N个模块。例如，RAID***2是RAID0***，RAID控制器在两个或是更多的驱动器（如图1的模块24）间执行条带化数据功能。再如，RAIM***2具有RAID1功能，RAID控制器在两个驱动器（模块24）间镜像数据。详情请分别参照图6和图7，这里只是示例，RAID控制器何种功能取决于RAIM***采用的技术相关。

传统的RAID***由独立磁盘（HDD或SSD）阵列构成，***2由独立存储模块阵列组成，结合RAID控制器，在价格、体积和功耗上具有明显的优势。这些模块24由SD、MMC或eMMC组成：SD应符合SD相关标准；MMC和eMMC应符合MMC及电子元件工业联合会（JEDEC）相关标准。

RAID控制器将模块24分组管理，使得RAID***2功耗尺寸减小，并因此使性价比有所提高。例如，在图4和5中，RAID控制器拥有RAID5的功能，数据包按照512byte大小被分成A1，A2，A3，B1，B2，B3……序列，而模块4用来存放奇偶校验值，用于恢复模块间损坏的任意数据包。数据包的分组大小也可以是1K byte，2K byte或其他长度。相比RAID***，每个存储模块24可被看作独立的虚拟驱动器（virtual independent disk,简称VID），这使得RAIM***2具有更高的可靠性。例如，该***有热插拔和内建自动数据恢复机制，维修工程师可以用新模块替换掉老化的eMMC或SD模块。例如，假如图6的模块2被拔出并用新的SD模块替换，RAID控制器拷贝模块1的全部信息到新模块，然后恢复整个RAIM***到模块2被移除前的状态。这种单个驱动器也能用作创建一个高效的RAID2。

图2示出了与本发明的图1中RAIM***中的RAID控制器实例。所述RAID控制器20包括了一个接口协议(IP)201，微处理器200，RAID控制逻辑203，和N个SD、MMC、eMMC主机205。所述IP连接总线21和数据缓冲器202，以响应来自所述微处理器200的信息。所述数据缓冲器202用以接收微处理器200发来的消息，并进一步连接到所述RAID控制逻辑203。所述RAID控制逻辑203连接每个主机205，并通过总线23与模块24进行通信。

微处理器200执行软件，通知IP201去接收或发送信息到主机1和数据缓冲器202。微处理器200控制IP201和数据缓冲器202开始数据传输，数据缓冲器202缓存写入存储模块24到或者从存储模块24读出的数据。连接在数据缓冲器202与SD主机205之间的RAID控制逻辑203，通过微处理器200控制数据数据缓冲器202与SD主机205之间的数据交换。每个主机205通过总线23发送命令给予其相连的存储模块24，读取状态并数据传输。从模块的角度看，主机205就是SD或MMC、eMMC读卡器。

图3(a)-3(c)分别示出了包含在RAIM***2中的SD卡，eMMC模块和MMC卡。

图4示出了RAID控制器的另一实例。图4中的RAID控制器类似图2和图4中的控制器，RAID控制逻辑203ˊ是RAID5类型的控制逻辑。

图5示出了图4中模块24存储数据的例子。为了清楚，模块24标为24-1，24-2，24-3和24-4。数据在24-1到24-3中以块的形式存在，24-4作为校验模块，用于存储24-1到24-3数据的奇偶校验值。图5的502-508四个块存储在模块24-1，24-2，和24-3，模块24-4存储每个相应块的奇偶校验值。例如，块502由A1，A2和A3构成，存储在模块24-1，A2存在24-2,A3存在24-3。校验的一种形式是对A1、A2和A3执行ORing操作，并把结果存于模块24-4的校验模块A(Ap)里面。同理，B1、B2和B3分别放于24-1，24-2，24-3，执行操作，结果放于24-4的校验模块B(Bp)中，B1-B3组成了块504。这同样应用于块506和508。

图6示出了RAID控制器的另一实例。除了控制逻辑203〞部分，图中RAID控制器20其他部分的和RAID控制器202’相似。控制逻辑203〞通过总线23连接主机205和SD模块24是RAID1类型。

图7示出了图6中SD模块1和SD模块2的数据存储实例。RAID控制逻辑203〞是RAIM***的一部分，其数据块的内容被镜像了。例如，在RAID1等级中，作为块或是块的一部分SD模块1的A1，和SD模块2的A2相等。同理，SD模块1的B1和SD模块2的B2相等，以此类推。

图8出示了本发明的一个***实例，它是一个通过接口802与主机通信的SSD2，所述接口802类似于接口21，所述SSD2也可以通过中间设备连接主机。SSD2则通过非易失性模块接口（NVM busses）822连接n个非易失性存储模块（NVMs）823，n为整数，所述NVMs对应通道0到n-1。

所述SSD2包括SSD控制器821，所述SSD控制器821包括一个CPU815、一个缓冲器813、一个直接存储器访问（direct memory access，简称DMA）814、一个嵌入RAID控制器816、和n个非易失性控制器模块811，所述模块811通过总线822连接NVMs823。简言之，每个非易失性模块811通过单独的NVM总线连接一个NVM。

控制器816嵌入到SSD2中，具有RAID的各种功能，其实际应用中的表现形式是单个的集成芯片，或一个集成多个芯片的电路板。所述控制器支持RAID0,1,2,3,4,5,6中的一个，多个等级或是其组合模式，并根据相应等级或模式所定义的规则和方法，对非易失性存储控制器模块811进行数据读写。

RAID控制器82包含至少一个非易失性存储器控制器811，通常地，所述非易失性存储器控制器811多于一个，用于管理一组非易失存储器芯片。所述非易失性存储器控制器811含有均衡损耗算法、纠错算法(Error Correction Code，简称ECC)、扰码产生器等子模块或功能。所述RAID控制器82中的NVMs821通常是NAND闪存，也可以是NOR闪存，或是相变存储器(PCM)，铁电存储器(F-RAM)，磁阻存储器(MRAM)。

所述***至少包含一个非易失性存储器总线822，实际应用中通常是多于一个，非易失性存储器控制器模块811通过该总线822存取数据。

所述***运行时，CPU815控制驱动接口812通过接口802接收信息(以命令和数据的形式)，并临时存储在SATA内部缓冲器813中。然后，RAID控制器816控制DMA（Direct Memory Access，简称DMA）模块814，从缓冲器813传送数据到RAID控制器816，分发到闪存控制器811，最终完成主机保存数据到NVMs823的操作。

所述RAID控制器816可配置以支持多种RAID等级，在一个具体实例中，所述CPU815将控RAID制器816配置成某一个等级。

图9示出了本发明的另一***实例，其中，RAID控制器816配置成RAID1等级。与图5描述相似，所述RAID控制器816通过非易失性控制器811往3个NVMs823分发数据，第4个NVM用于存储奇偶校验值。图9中的RAID控制器816，非易失性控制器811，NVMs823与图8相应部分一致。

图10示出了本发明的再一***实例，此时RAID控制器816配置为另一等级RAID3。图中NVMs823只包含NVM1和NVM2，所述控制器816在NVM1分发数据，在NVM2镜像数据。

本发明已经在一定程度上被充分详细的描述。本领域技术人员可以理解，目前实施例所揭露的只是示例而已，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的范围定义为其保护范围而不是以上实施例的说明。

Claims

1.一种固态硬盘（SSD），其特征在于：其包括：

一个SSD控制器，其通过接口连接主机以实现信息收发，所述SSD控制器包含一个嵌入RAID控制器；和

多个非易失性存储模块(NVMs)，该模块连接SSD控制器，在嵌入RAID控制器的控制下，所述SSD控制器发起与NVMs间的信息收发和存储。

2.根据权利要求1所述的SSD，其特征在于：所述存储模块是安全数字卡（SD）。

3.根据权利要求1所述的SSD，其特征在于：所述存储模块是多媒体卡（MMC）。

4.根据权利要求1所述的SSD，其特征在于：所述存储模块是嵌入多媒体卡（eMMC）。

5.根据权利要求2所述的SSD，其特征在于：SD模块通过SD总线连接RAID控制器。

6.根据权利要求3所述的SSD，其特征在于：MMC模块通过MMC总线连接RAID控制器。

7.根据权利要求4所述的SSD，其特征在于：eMMC模块通过eMMC总线连接RAID控制器。

8.根据权利要求1所述的SSD，其特征在于：数据传输接口可以是SCSI、IDE、ATA、SATA、PCI、PCIE、SD、MMC、或eMMC。

9.根据权利要求1所述的SSD，其特征在于：RAID控制器的功能是多种RAID模式（级别）之一，所述RAID模式（级别）包括RAID1、RAID5和RAID6。

10.根据权利要求1所述的SSD，其特征在于：所述RAID控制器包含与多个存储模块相连的RAID控制逻辑。

11.根据权利要求10所述的SSD，其特征在于：RAID控制逻辑通过SD主机或MMC/eMMC主机与多个存储模块连接。

12.根据权利要求1所述的SSD，其特征在于：所述NVMs是NAND闪存或是NOR闪存。

13.根据权利要求1所述的SSD，其特征在于：NVMs是相变存储器（PCM）、铁电存储器（F-RAM）或磁阻存储器（MRAM）。