CN103809920B - 一种超大容量固态硬盘的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一个超大容量固态硬盘的实现方法，可实现TB级以上容量的固态硬盘。所述的硬盘采用单体容量大的带SD/MMC接口的存储介质；每个存储通道可容纳多个存储介质；每个存储通道内的各个存储介质共享SD/MMC接口的D[0:7]/CMD数据总线；每个存储通道的SD/MMC接口时钟信号则通过高速时钟开关电路再分别接入各存储介质，并将SD/MMC接时钟信号作为片选控制，使得硬盘控制器的单一存储通道所容纳的存储介质数量多倍地增加，进而使得硬盘容量多倍地增加，实现超大容量的固态硬盘。

Description

一种超大容量固态硬盘的实现方法

技术领域

本发明涉及数据存储领域，特别涉及一种超大容量固态硬盘的实现方法。

背景技术

近些年来，随着基于闪存介质的固态硬盘应用日益广泛，对这类硬盘的单体容量也提出了更大的要求，特别是在数据库服务器、冗余磁盘阵列等需要海量数据存储的应用领域。

传统固态硬盘采用多个并行的存储通道的架构来实现高速数据读写和容量扩展，每个存储通道采用片选信号控制的方式来选择多个闪存芯片，因此固态硬盘的最大容量决定于其主控制器的存储通道数、片选控制数以及闪存芯片的单体容量等。

固态硬盘主控制器芯片受限于其架构和封装管脚数，所具有的并行存储通道和片选控制的数量均有限；另外传统的闪存芯片采用ONFI/Toggle数据接口协议，存在单体容量偏小、数据接口管脚数多的缺点，尽管随着集成电路工艺技术的进步，单体容量也有逐步增大的趋势，比如从4GB到8GB、乃至16GB等，但从大容量应用来说，闪存的单体容量仍偏小；从固态硬盘的体积而言，比如标准的2.5英寸固态硬盘，也限制了闪存芯片的配置数量。

因此传统的固态硬盘在大容量、尤其是TB级以上的超大容量的设计和实现方面，存在很大的瓶颈。故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种超大容量的固态硬盘的实现方法，该方法采用单体容量大的带SD/MMC接口的存储介质，容量可达TB级以上；本发明的另一个目的在于提供一种固态硬盘的存储通道容量扩展机制，该机制使得硬盘控制器的单一存储通道所容纳的存储介质数量多倍地增加，从而使得硬盘容量多倍地增加。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案为：

1)超大容量的固态硬盘对外接口采用SATA、SAS、eSATA或者USB等高速数据通讯接口形式之一；

2)超大容量的固态硬盘内部设置有多个并行的存储通道；

3)每个存储通道均采用SD/MMC数据接口，配置带SD/MMC接口协议的存储介质，存储介质可为eMMC、iNAND、SD卡或者TF卡等形式；

4)每个存储通道均采用容量扩展机制，即可配置多个单体容量大的SD/MMC接口的存储介质，从而多倍扩展每个存储通道的容量；

5)通过存储通道的容量扩展，实现了超大容量的固态硬盘。

根据发明目的之一所提出的固态硬盘的存储通道容量扩展机制，实现方法为:

固态硬盘的存储通道容量扩展机制主要包括：主处理器、DMA数据通道、存储通道处理器、SD/MMC时序接口电路、高速数据开关电路、多个带SD/MMC接口的存储介质以及片选控制等。

该存储通道容量扩展机制所述的主处理器，通过DMA数据通道将逻辑块地址数据分别发给每个存储通道处理器。

该存储通道容量扩展机制所述的DMA数据通道，提供主处理器和并行存储通道的数据链接。

该存储通道容量扩展机制所述的存储通道处理器，负责将所获得的逻辑块地址转换成物理块地址，并负责计算和分配通道内的每个存储介质的物理块地址。

该存储通道容量扩展机制所述的存储通道处理器，根据物理块地址来选择所需读写的存储介质。

该存储通道容量扩展机制所述的存储通道处理器，负责控制高速数据开关电路的切换。

该存储通道容量扩展机制所述的SD/MMC时序接口电路，负责和通道内的各个存储介质的以SD/MMC通讯协议方式的数据传输。SD/MMC时序接口电路除了时钟线外，其他数据线(包括D[0：7]和CMD)均以并联的方式，和通道内的各个存储介质相连和共享。

该存储通道容量扩展机制所述的高速数据开关电路，属于单刀双掷、或者单刀多掷等开关方式；其公共端(输入端)连接到SD/MMC时序接口电路的时钟信号线，其掷端(输出端)则分别连到通道内的各个存储介质的时钟信号输入端，其控制端则连接到存储通道处理器的控制管脚。

该存储通道容量扩展机制所述的多个带SD/MMC接口的存储介质，可为eMMC、iNAND、SD卡或者TF卡等形式，较优的选择是单体容量大的eMMC存储芯片。

本发明的有益效果是：

用户使用本发明，可实现超大容量(TB级以上)的固态硬盘。

用户使用本发明，采用单体容量大的eMMC等存储介质，可在较小体积(如2.5英寸)的硬盘上，实现TB级的超大容量。

用户使用本发明，硬盘的容量可不受硬盘主控制器的存储通道数和片选信号的限制，可多倍地增加。

用户使用本发明，可不改变现有硬盘主控制器芯片的封装、管脚数和存储通道数，便于集成和实现。

用户使用本发明，在实现超大容量的固态硬盘的同时，仍保持高速读写速度的性能

通过参考本说明书和附图的其余部分可以实现本文所公开的特定实施例中的性质和优点的进一步理解。

附图说明

图1所示为本发明的实施例1的原理框图；

图2所示为实施例1中一个存储通道(11)的进一步细节框图；

图3所示为本发明的实施例2的原理框图；

图4所示为实施例2中一个存储通道(111)的进一步细节。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

图1示出了根据本发明的一个实施例中的一个固态硬盘(10)。固态硬盘(10)包括一个对外接口(4)，一个主处理器(5)，一个高速串行数据时序接口和控制单元(2)，一个DMA通道(3)，N个相同架构的并行的存储通道(11-14)。

图2是上述一个存储通道11的进一步细节描述，包括一个数据缓存器(20)，一个通道1处理器(21)，一个SD/MMC时序接口电路(23)，一个高速时钟开关电路(27)，开关电路控制信号(26)，M个相同的存储介质(41-43)等主要部分，另外还包括开关电路控制信号(26)、SD/MMC时序接口电路的时钟信号CLK1(22)、存储介质共用的D[0:7]/CMD数据总线(25)、存储介质单用的时钟信号CLK1-1(25)等。

实施例的一个超大容量的固态硬盘(10)的工作机制如下：

固态硬盘(10)通过对外接口(4)和外部主机(1)相连；外部主高速串行数据通讯接口和控制单元(2)收到外部主机(1)的串行信息后，经过信号检测和串并转换等处理，再传递给主处理器(5)；主处理器(5)将外部主机(1)所要求的读写数据内容(包括数据逻辑块地址和数据长度等信息)，通过DMA通道(3)平均分配给各个存储通道(11-14)。

后续的各个存储通道的操作模式均相同，以存储通道1(11)为例，描述如下：

DMA通道(3)的数据信息经过数据缓存器(20)，传递给通道1处理器(21)。

通道1处理器(21)负责将数据的逻辑块地址转换成物理块地址，而物理块地址则和存储介质一一对应；通道1处理器(21)可根据所需读写的数据物理块地址，选择相应的存储介质(41-43)；通道1处理器(21)负责对通道内的各个存储介质(41-43)分配不同的物理块地址，负责控制高速时钟开关电路(27)的切换，负责控制SD/MMC时序接口电路(23)。

SD/MMC时序接口电路(23)的D[0:7]/CMD数据总线(25)直接和各个存储介质(41-43)并接和共享；SD/MMC时序接口电路(23)的时钟信号CLK1(22)则接入高速时钟开关电路(27)，并经选择和切换后，再分别连接到各个存储介质(41-43)，比如连接到存储介质1(41)的时钟信号CLK1-1(25)。

各个存储介质(41-43)均由通道1处理器(21)设置成为传输状态(transfer)：当收到时钟信号和相应协议命令时，则该存储介质可立即进入传输工作状态，从而保持高速的读写速度；当未收到时钟信号时，则该存储介质的其他所有接口管脚均始终保持高阻抗输入状态，和其他存储介质共享D[0:7]/CMD数据总线(25)。

高速时钟开关电路(27)可由单刀双掷数据开关、单刀多掷数据开关或者其他数据开关电路构成；可采用开关级联的方式等。较优的选择是采用单刀双掷的数据开关电路，级联不超过两级。

高速时钟开关电路(27)的输入端(公共端)连接SD/MMC时序接口电路(23)的时钟信号CLK1(22)；高速时钟开关电路(27)的输出端(掷端)则分别连接到各个存储介质(41-43)的时钟信号接口。高速时钟开关电路(27)的输出端切换，由开关电路控制信号(26)来控制。

当通道1处理器(21)根据物理块地址，确定所需要读写的某个存储介质，比如存储介质1(41)时，通道1处理器(21)即控制高速时钟开关电路(27)，将时钟信号CLK1(22)切换到CLK1-1(25)端口，然后，通道1处理器(21)即可对存储介质1(41)进行读写操作，完成存储介质的选择和读写工作流程。

上述实施例的一个超大容量的固态硬盘(10)包括N个存储通道，每个存储通道含有M个存储介质，则硬盘的总体容量为M x N x单个存储介质容量。

图3示出了根据本发明的另外一个实施例的一种超大容量固态硬盘(100)，是一个基于128GB eMMC存储介质的总容量为2TB的带SATA接口的固态硬盘。固态硬盘(100)包括一个对外SATA数据接口(104)，一个32位主处理器(105)，一个SATA高速串行数据时序接口和控制单元(102)，一个DMA通道(103)，8个相同架构的并行的存储通道(111-118)。

图4是上述图3一个存储通道(111)的进一步细节描述，包括一个数据缓存器(120)，一个通道1处理器(121)，一个SD/MMC时序接口电路(123)，一个1P2T的高速数据开关(127)，2个128GB的eMMC(141-142)等主要部分，另外还包括开关电路控制信号Switch_Sel(126)，SD/MMC时序接口电路的时钟信号CLK1(22)，eMMC共用的D[0:7]/CMD数据总线(125)，eMMC单用的时钟信号CLK1-1(25)、CLK1-2(128)等。

上述实施例的一个超大容量的固态硬盘(100)包括8个存储通道，每个存储通道含有2个128GB eMMC，则硬盘的总体容量＝8x 2x 128GB＝2048GB＝2TB；另外该固态硬盘(100)仅包含16片eMMC芯片，可在2.5英寸硬盘尺寸上实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超大容量固态硬盘的实现方法，其特征在于，包括：

采用带SD/MMC接口的存储介质；

具有多个存储通道；

每个存储通道中容纳多个带SD/MMC接口的存储介质；

每个存储通道通过SD/MMC接口的时钟信号的切换来片选同一通道内的各个存储介质；

其中，该超大容量固态硬盘设置对外接口、高速串行数据通讯接口和控制单元、主处理器、DMA通道以及多个并行的存储通道，每个存储通道设置有存储通道处理器、SD/MMC时序接口电路和高速时钟开关电路；

通过对外接口和外部主机相连；高速串行数据通讯接口和控制单元收到外部主机的串行信息后传递给主处理器；主处理器将外部主机所要求的读写数据内容通过DMA通道平均分配给各个存储通道；

各个存储通道处理器负责将数据的逻辑块地址转换成物理块地址，而物理块地址则和存储介质一一对应；存储通道处理器根据所需读写的数据物理块地址，选择相应的存储介质，同时负责对通道内的各个存储介质分配不同的物理块地址、控制高速时钟开关电路的切换以及控制SD/MMC时序接口电路；

每个存储通道内的各个存储介质共享SD/MMC接口的数据总线；

每个存储通道的SD/MMC接口时钟线接到高速时钟开关电路的公共输入端，各个存储介质的时钟线分别连接到高速时钟开关电路的输出端。

2.根据权利要求1中所述的一种超大容量固态硬盘的实现方法，其特征在于，所述带SD/MMC接口的存储介质是eMMC存储芯片、iNAND存储芯片或者SD/MMC存储卡中的任一种。

3.根据权利要求1中所述的一种超大容量固态硬盘的实现方法，其特征在于，所述的对外接口可为如下接口之一：SATA、eSATA、USB、IDE、SCSI、SAS、PCI/PCIE。

4.根据权利要求1所述的超大容量固态硬盘的实现方法，其特征在于，所述存储通道处理器负责分配通道内的各个存储介质的物理块地址，并根据物理块地址来选择所需读写的存储介质。

5.根据权利要求1所述的超大容量固态硬盘的实现方法，其特征在于，所述存储通道处理器通过控制高速时钟开关电路，将SD/MMC时序接口电路的时钟信号切换和连接到所需读写的存储介质的时钟信号线。

6.根据权利要求1所述的超大容量固态硬盘的实现方法，其特征在于，所述高速时钟开关电路可由单刀双掷数据开关或者单刀多掷数据开关构成；并可采用开关级联的方式。