CN107608824B - 一种非易失性计算装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非易失性计算装置，包括处理单元和片外存储单元，所述处理单元包括中央处理器和片内存储单元，所述片外存储单元包括非易失性存储器件，所述片内存储单元包括非易失性存储器件和易失性存储器件。

Description

一种非易失性计算装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，特别涉及一种非易失计算装置及其工作方法。

背景技术

一般来说，根据信息的可保存性，可将存储器划分为易失性存储器和非易失性存储器，其中，易失性存储器内的数据在掉电后会消失，例如静态随机存储器或动态随机存储器等，非易失性存储器内的数据在掉线后不会消失，例如闪存或硬盘等。

通常情况下，相对于非易失性存储器，易失性存储器的读写速度快但价格昂贵，因此在计算装置中，片外存储器一般采用非易失性存储器，例如磁带、磁盘或闪存等；片上存储器一般采用易失性存储器，例如缓存或内存等。由于易失性存储器掉电后数据不能保存，当计算装置出现(异常)断电时，容易出现数据丢失，或者备份/恢复时间过长等问题。

因此，需要一种能够防止掉电后数据丢失且备份/恢复时间短的计算装置。

发明内容

本发明提供一种非易失计算装置及其工作方法，包括处理单元和片外存储单元，所述处理单元包括片上存储单元，所述片外存储单元包括非易失性存储器件和易失性存储器件，所述片内存储单元包括非易失性存储器件。

优选的，所述片外存储单元中的易失性存储器件和非易失性存储器件集成在单核内。

优选的，所述片外存储单元中的易失性存储器件和非易失性存储器件采用了堆叠结构。

优选的，所述处理器还包括具有非易失性的触发器。

优选的，所述非易失性的触发器包括主从触发器和备份模块。

优选的，所述备份模块包括铁电电容器。

优选的，所述计算装置还包括在所述计算装置断电后为所述计算装置供电的供电单元。

优选的，所述供电单元包括可以从外界采集电能的电能采集模块。

根据本发明的另一个方面，还提供一种使用上述计算装置的工作方法，包括：

所述计算装置处于正常工作的普通模式；

在出现异常断电或触发休眠信号时，所述计算装置进入备份模式；

备份完成后，所述计算装置进入休眠模式，各单元停止工作；

在出现唤醒信号时，所述计算装置进入恢复模式，待前次备份的数据全部恢复结束后，所述计算装置重新进入普通模式；

其中，在备份模式下，所述计算装置将***中的当前数据存储至所述片外存储器中的非易失存储器件中；在恢复模式下，所述计算装置将存储在所述片外存储器中的非易失存储器件中的数据恢复至***中。

根据本发明的另一个方面，还提供一种使用上述非易失性的触发器的工作方法，包括：

当处于正常工作模式的所述非易失性的触发器出现异常断电或触发休眠信号时，所述非易失性的触发器将所述主从触发器中的数据保存至所述备份模块中；以及

当出现唤醒信号时，所述非易失性的触发器将保存在所述备份模块中的数据恢复至所述主从触发器中。

相对于现有技术，本发明取得了如下有益技术效果：本发明提供的非易失性计算装置，采用了片上存储和片外存储这种两级存储结构，简化了存储层次；其中，片上存储采用了低能耗和高扩展性的非易失存储器件，片外存储采用了非易失存储器件和易失性存储器件，提高***的稳定性和可靠性；同时，本发明采用非易失触发器代替传统触发器，实现了数据在寄存器级的本地存储，使得计算装置在掉电时，寄存器中的数据不会丢失，有效地保证了数据的存储安全，减小了数据备份的时间损耗，节省了***的唤醒时间。

附图说明

图1是根据本发明较佳实施例的非易失计算装置的结构示意图。

图2是本发明另一个实施例的计算装置的结构示意图。

图3是本发明另一个实施例的计算装置的结构示意图。

图4是图1所示的计算装置所采用的非易失性触发器的结构示意图。

图5是图1所示的计算装置的工作模式切换流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图，对根据本发明的实施例中提供的进一步详细说明。

近些年随着存储技术的发展，出现了很多新型非易失存储器，其性能得到了很大的提升，无论是在非易失性或能耗，还是访问速度或扩展性等方面都取得了极大的进步，其中有的非易失存储器的读写速度已可达到纳秒级，甚至与DRAM内存的读写速度相当，而且比传统的DRAM内存更省电、存储密度更高，还具有抗辐射干扰等优点。

发明人经研究，充分利用了非易失存储器在断电情况下能长期保存数据的特点，采用非易失存储器作为计算装置中的片内存储和片外存储，并且还采用了具有非易失功能的触发器替代了传统触发器，以便解决计算装置数据丢失以及数据恢复时间过长等问题。

图1是根据本发明较佳实施例的非易失计算装置的结构示意图，如图1所示，本发明的非易失计算装置包括处理器、片外存储器以及其它常规器件，例如，输入/输出(I/O)单元(图1中未示出)。其中，处理器包括控制单元、逻辑运算单元和片上存储器，片上存储器(相当于传统计算装置的缓存)采用了非易失性存储器件；片外存储器(相当于传统计算装置的内存和外存相结合)采用了易失性器件和非易失器件。

图2是本发明提供的一个实施例的计算装置的片外存储器及其它器件的结构示意图，如图2所示，该片外存储器包括封装在单核之中的非易失性存储器和易失性存储器。正常工作时，处理器经总线与该片外存储器中的易失性存储器进行通信，当断电时，处理器经总线控制将易失性存储器中的数据备份至非易失性存储器中，以便上电之后的数据恢复。

图3是本发明提供的计算装置的另一实施例的片外存储器及其它器件的结构示意图，如图3所示，该片外存储器包括采用3D堆叠的方式集成在一起的易失性存储器和非易失性存储器，例如，两种存储器件的比特位可采用一一对应的方式设置，以便使计算装置在进行数据备份时，对应位置的数据可以同时传输，从而实现并行备份。

在本发明的一个实施例中，上述计算装置还可包括I/O设备，I/O设备利用输入输出接口与计算装置连接，是外界与计算装置进行信息交换的重要部件，处理器利用总线对I/O设备进行控制，例如显示器、鼠标及键盘等。

如图2和图3所示，在本发明的一个实施例中，上述计算装置还可包括供电设备，该供电设备可在***断电后的一段时间内为***供电，以便处理器进行数据备份。该供电设备可采用，例如电池、外接电源或其它可从外部采集电能的电能采集模块(例如太阳能电池板等)。

在本发明的另一个实施例中，上述计算装置中采用的非易失存储器件，例如，片上存储器中所采用的非易失存储器件和片外存储器中的非易失存储器，可以是相变存储器(phase change memory，PCM)、磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)、自旋扭矩转换随机存储器(Spin Torque Transfer Random Access Memory，STT-RAM)、铁电随机存储器(Ferroelectric RAM，FeRAM)或阻变随机存储器(RRAM)等。

图5是图1所示的计算装置的工作模式切换流程示意图，如图5所示，根据本发明的一个实施例，提供一种非易失计算装置的工作方法，该计算装置的方法具体包括以下四种模式：

普通模式：在普通模式下，计算装置的电源正常供电，***处于正常的工作模式。其中，电源的供电方式可以采用例如电池供电、市电供电或利用电能采集模块从外界采集电能等；

备份模式：在备份模式下，计算装置由电源供电切换至由供电单元供电，***处于数据备份模式，即将电源供电时执行的各种数据存储至非易失存储器件中，例如，在非易失触发器中，将主从触发器中的数据保存至其备份模块中；在片外存储器中，将运行在易失存储器件中的数据保存至非易失存储器件中；

休眠模式：在休眠模式下，计算装置的各单元均停止工作；

恢复模式：在恢复模式下，计算装置由断电或供电单元供电切换至由电源供电，***首先从距离恢复模式最近一次的备份模式中恢复数据，即对该次备份模式中存储至非易失存储器件中的各种数据进行还原，例如，在非易失触发器中，将保存在备份模块中的数据恢复至主从触发器中；在片外存储器中，将保存在非易失存储器件中的数据恢复至易失存储器件中。

本发明提供的计算装置通常处于正常工作的普通模式，当出现异常断电或触发休眠信号时，计算装置进入备份模式；备份完成后，计算装置关闭或进入休眠模式，停止供电，不进行任何工作；当重新打开计算装置或出现唤醒信号时，计算装置进入恢复模式，待前次备份的数据全部恢复结束后，计算装置重新进入普通模式。

图4是图1所示的计算装置的非易失性触发器的结构示意图，如图4所示，上述处理器中的触发器采用了非易失性触发器，例如，该触发器可以是一种基于铁电存储器的触发器(铁电触发器)，该铁电触发器包括具有传统主从结构的触发器和具有铁电电容器的备份模块。其中，当计算装置正常工作时，采用的是传统的主从结构的触发器，当计算装置需要备份时，可将主从结构触发器中的运行数据备份至备份模块。

本发明还提供了一种非易失性的触发器的数据备份方法，以铁电触发器为例，当计算装置处于上述普通模式时，RW信号为低电平，铁电触发器的工作方式与传统触发器一致；当计算装置处于备份模式时，RW信号为高电平，pch信号为低电平，可对铁电触发器进行配置，此时Clk信号处于高电平，PL信号产生一个高电平脉冲，可将主从触发器内的数据存储在铁电电容器C1和C2中；当计算装置处于恢复模式时，需要对备份模块执行读操作，即Din信号和Clk信号保持低电平，Pch信号产生高电平脉冲使电容器放电，PL信号产生高电平脉冲驱动铁电电容器对，从而将数据恢复至主从触发器中。

其中，Din信号为触发器的输入信号，Pch为充电控制信号，PL为脉冲控制信号，RW为模式选择信号。

尽管在上述实施例中，采用了基于铁电存储器的触发器为例描述了本发明提供的具有非易失性的触发器以及使用该触发器的计算装置，但是本领域普通技术人员应理解，此处的具有非易失性的触发器不限于包括基于铁电随机存储器(Ferroelectric RAM，FeRAM)的触发器，还可以是例如基于自旋扭矩转换随机存储器(Spin Torque TransferRandom Access Memory，STT-RAM)的触发器或基于阻变随机存储器(RRAM)的触发器等多种类型。

相对于现有技术，在本发明实施例中所提供的非易失性计算装置，采用了两级非易失性存储结构，可以有效保障运行数据的安全，减小数据备份的时间损耗，节省***的唤醒时间，这种存储结构可为计算装置的数据存储机制开创一种崭新的设计理念。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (4)

1.一种非易失性计算装置，包括处理单元和片外存储单元，所述处理单元包括片上存储单元，所述片外存储单元包括非易失性存储器件和易失性存储器件，所述片上存储单元包括非易失性存储器件，其中，

所述片外存储单元中的易失性存储器件和非易失性存储器件集成在单核内；

所述片外存储单元中的易失性存储器件和非易失性存储器件采用了堆叠结构；

所述处理器还包括具有非易失性的触发器；

所述非易失性的触发器包括主从触发器和备份模块；

所述备份模块包括铁电电容器，所述铁电电容器用于：

当计算装置处于普通模式时，RW信号为低电平，铁电电容器的工作方式与传统触发器一致；当计算装置处于备份模式时，RW信号为高电平，pch信号为低电平，可对铁电电容器进行配置，此时Clk信号处于高电平，PL信号产生一个高电平脉冲，可将主从触发器内的数据存储在铁电电容器C1和C2中；当计算装置处于恢复模式时，需要对备份模块执行读操作，即Din信号和Clk信号保持低电平，Pch信号产生高电平脉冲使电容器放电，PL信号产生高电平脉冲驱动铁电电容器对，从而将数据恢复至主从触发器中，其中，Din信号为触发器的输入信号，Pch为充电控制信号，PL为脉冲控制信号，RW为模式选择信号。

2.根据权利要求1所述的非易失性计算装置，其特征在于，所述计算装置还包括在所述计算装置断电后为所述计算装置供电的供电单元。

3.根据权利要求2所述的非易失性计算装置，其特征在于，所述供电单元包括可以从外界采集电能的电能采集模块。

4.一种如权利要求1所述的计算装置的工作方法，包括：

所述计算装置处于正常工作的普通模式；

在出现异常断电或触发休眠信号时，所述计算装置进入备份模式；

备份完成后，所述计算装置进入休眠模式，各单元停止工作；

在出现唤醒信号时，所述计算装置进入恢复模式，待前次备份的数据全部恢复结束后，所述计算装置重新进入普通模式；

其中，在备份模式下，所述计算装置中所述非易失性的触发器将所述主从触发器中的数据保存至所述备份模块中，将***中的当前数据存储至所述片外存储器中的非易失存储器件中；在恢复模式下，所述非易失性的触发器将保存在所述备份模块中的数据恢复至所述主从触发器中，所述计算装置将存储在所述片外存储器中的非易失存储器件中的数据恢复至***中。

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